đồ án môn học thiết kế thiết kế robot scara 3 bậc tự do

3- Nội dung thực hiện3.1 - Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật- Tổng quan về hệ thống; - Nguyên lý hoạt động; - Xác định các thành phần cơ bản và thông số/yêu cầu kỹ thuật của hệ th

Trang 1

ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ọ Ộ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THI T KẾ Ế

HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Thi t k Robot Scara 3 b c t ế ế ậ ự do

Đào Văn Nam

Nam.dv195103@sis.hust.edu.vn

Ngành Cơ - điện tử Chuyên ngành Kĩ Thuật Cơ - Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn: GVC, TS Nguy n Ngễ ọc Thành

Nhóm chuyên môn: Hàn Công ngh kim lo i – ệ ạ

Trường: Cơ khí

HÀ N ỘI, 3 -2022

Chứ kí c a GVHD ủ

Trang 2

1

Nhóm chuyên môn Hàn CNKL - Năm học: 2022 2023-

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Mã HP: ME4506 Thời gian thực hiện: 15 tuần; Mã đề: VCK3 - 6

Ngày giao nhiệm vụ: 26/10/2022; Ngày hoàn thành:… /03/2023

Họ và tên SV: Đào Văn Nam

MSSV: 20195103 Mã lớp: 721802 Chữ ký sv: …Nam………

1 Nhi m v thi t k - ệ ụ ế ế

THI T K ROBOT SCARA 3 B C T Ế Ế Ậ Ự DO

2 - Số liệu cho trước:

- Tải trọng 20 kg;

- Tầm với 850 m;

- Độ chính xác lặp: (x, y) = ±0,02 … mm; (z) = ±0,01…mm;

- Vận tốc cực đại khâu tác động cuối …: 11480 mm/s;

- Gia tốc cực đại khâu tác động cuối … mm/s2

3- Nội dung thực hiện

3.1 - Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

- Tổng quan về hệ thống;

- Nguyên lý hoạt động;

- Xác định các thành phần cơ bản và thông số/yêu cầu kỹ thuật của hệ thống

3.2- Tính toán và thiết kế

- Tính toán, thiết kế các khâu 3, 2, 1 và khâu cố định;

- Tính chọn động cơ cho các khâu 1, 2, 3;

- Tính chọn bộ truyền cho khâu 1 và 2;

- Tính chọn trục nối khâu cố định với khâu 1, khâu 1 với khâu 2;

Trang 3

2

3.3 - Thiết kế chi tiết và xây dựng bản vẽ lắp

- Xây dựng bản vẽ lắp 2D/3D;

- Xây dựng các bản vẽ chế tạo các chi tiết chính

3.4 - Mô phỏng nguyên lý hoạt động (động học)

Trang 4

Khâu 2 Khâu 3 (mm/giây)

Tốc độ

tổng h p ợ

(mm/giây )

3 10 700 200, 300, 400 ±0,02 ±0,01 450 667 2780 9570 0,29 (với

tải 2-kg)

DENSG_S

4 20 700 200, 300, 400 ±0,02 ±0,01 450 667 2780 9570 0,29 (với

tải 2-kg)

DENSG_S

5 10 850 200, 300, 400 ±0,02 ±0,01 450 667 2780 11480 0,31 (với

tải 2-kg)

DENSG_S

6 20 850 200, 300, 400 ±0,02 ±0,01 450 667 2780 11480 0,31 (với

tải 2-kg) DENSG_S

Trang 6

5

Trang

M Ở ĐẦU……… 8

CHƯƠNG 1- GIỚI THI U ROBOT SCARA; NHI M V Ệ Ệ Ụ ĐƯỢC GIAO 8 1.1 - Giới thi u robot Scaraệ ……… 10

1.1.1- Cấu trúc động học và kết cấu robot Scara 3 b c t ậ ự do ………… 10

1.1.2- ng d ng robot Scara trong s n xu t công nghi p và hoỨ ụ ả ấ ệ ạt độn dịch vụ ……… 11

a- Trong s n xu t công nghi p ả ấ ệ ……… 11

b- Trong hoạt động dịch vụ ……… 12

1.2 Nhi m v - ệ ụ được giao ……… 12

1.2.1- Nhiệm v thi t k ụ ế ế được giao và s ố liệu cho trước ……… 12

1.2.2- Phân tích n i dung nhi m v thi t k ộ ệ ụ ế ế ……… 12

CHƯƠNG 2- ĐỘNG HỌC; KHÔNG GIAN HOẠT ĐỘNG; ĐỘNG L C Ự H C H TRUY N D N ROBOT SCARA Ọ Ệ Ề Ẫ ……… 14

2.1 - Động h c robot Scara 3 bọ ậc t ự do ………. 14

2.1.1- Thiế ật l p các h tệ ọa độ trên robot Scara ……… 14

2.1.2- Bài toán động học thuận; ý nghĩa ……… 16

2.1.3- Bài toán động học ngược; ý nghĩa ……… 23

2.2 Không gian ho- ạt động robot Scara 3 b c t ậ ự do ……… 25

2.2.1- Xác định không gian hoạt động robot Scara ……… 25

a- Các điều ki n ràng buệ ộc ……… 26

b- Xây d ng thuự ật toán xác định không gian hoạt động ……… 26

c- V mô ph ng không gian hoẽ ỏ ạt động robot Scara ……… 27

2.2.2- Thiế ế quỹ đạo chuyt k ển động c a robotủ ……… 29

a- Chuyển động theo đoạn thẳng ……… 30 b- Chuyển động theo đoạn cong (cung tròn, hoặc đường bậc 2 nào đó) 31

Trang 7

6

c- Chuyển động ph c t p (xen k ứ ạ ẽ đoạn thẳng và đoạn cong) ………… 32

d- Mô phỏng động h c robot Scara theo qu o chuyọ ỹ đạ ển động ph cứ (th c hi n nhi m vự ệ ệ ụ công ngh ệ đề ra) ……… 33

2.3 - Động l c h c robot Scara 3 bự ọ ậc t ự do ……… 33

2.3.1- N i dung, mô hình và giộ ải bài toán động lực học robot Scara …… 33

a- N i dung, mộ ục đích, ý nghĩa bài toán động l c h c roboự ọ t Scara …… 33

b- Mô hình động l c h c rự ọ obot Scara ……… 34

c- Giải bài toán động l c hự ọc robot Scara ……… 35

2.3.2- Xác định công su t truy n dấ ề ẫn các động cơ ……… 39

a- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 1 ……… 39

b- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp quay 2 ……… 41

c- Xác định công suất động cơ truyền dẫn khớp tịnh tiến 3 ……… 42

CHƯƠNG 3- THIẾT KẾ K T C U TRUY N D N ROBOT SCARA Ế Ấ Ề Ẫ 57 3.1 - Đặt vấn đề ………….……… 57

3.2 Thi t k k t c- ế ế ế ấ ắ u l p ghép truyền dẫn robot Scara ……… 57

3.2.1- K t c u l p ghép khâu 0 (giá tr c ế ấ ắ ụ ố định) với cụm khớp quay 1 … 57 3.2.2- K t c u l p ghép khâu 1 v i c m kh p quay 2 ế ấ ắ ớ ụ ớ ……… 58

3.2.3- K t cế ấu ắp ghép khâu 2 v i c m khl ớ ụ ớp tịnh tiến 3 ……… 58

3.2.4- K t c u bàn tay k p ế ấ ẹ ……… 59

3.2.5- Thiế ế ế ấ ắp chung rt k k t c u l obot Scara ……… 59

CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ MÔ PH NG HOỎ ẠT ĐỘNG ROBOT SCARA 60 4.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế; giới thi u công c mô ph ệ ụ ỏng ………… 60

4.1.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế mô phỏng ……… 60

4.1.2- Giới thi u công c mô phệ ụ ỏng ……… 60

4.2- Thi t k mô ph ng robot Scaraế ế ỏ ……… 61

4.2.1- Thiế ết k mô phỏng các phần t rử obot Scara ……… 61

Trang 9

ĐAMH1 -Thi t kế h ế ệ thống cơ khí Nhóm chuyên môn: Hàn - CNKL

8

M Ở ĐẦURobot Scara được phát minh lần đầu tiên bởi giáo sư Hiroshi Makino tại Đại học Yamanashi, Nh t Bậ ản vào năm 1978 Nó được thi t kế ế ra để đưa vào ứng dụng l p ráp và tắ ừ năm 1981 thì nó đước ứng d ng trong các dây chuy n l p ráp ụ ề ắcông ngh ệ

Scara - Selective Compliance Articulated Robot Arm có nghĩa là cánh tay robot khớp n i tuân th có chố ủ ọ ọn l c

Ưu điểm của robot Scara so v i các lo i robot khác: ớ ạ

- Ưu thế linh ho t: robot Scara có thạ ể thực hi n nhi u chuyệ ề ển động linh hoạt khác nhau theo điều ki n và thi t k t nhà s n xu t cho tệ ế ế ừ ả ấ ừng lĩnh vực mà nó ng ứdụng Tuy nhiên, một điểm tr ừ nhỏ v i s linh ho t cớ ự ạ ủa Scara đó là nó cố định bởi trục Z, điều này khi n nó ch có th chuyế ỉ ể ển động phần cánh tay, còn ph n gầ ốc

- T i trả ọng:Scara có t i trả ọng khá thấp, nó thường dao động trong kho ng (0,ả 5

÷ 20) kg Điều này giúp nó có th d dàng v n chuy n và lể ễ ậ ể ắp đặt cho các dây chuy n s n xu t hoề ả ấ ặc ứng d ng vào nhiụ ều lĩnh vực hơn;

- Độ chính xác lặp: Scara được thi t k vế ế ới tính năng lặ ạ ị trí cũ ốp l i v t t và có

độ chính xác cao Scara có độ chính xác lặp vị trí là 0,02mm theo trục x,y và 0.01mm theo tr c z ụ

M t s ng d ng c a Robot Scara: ộ ố ứ ụ ủ

- Ứng d ng trong l p ráp chi ti t nhụ ắ ế ỏ: robot Scara được đưa vào ứng d ng trong ụviệc th c hiện nhiệm vụ lắp ráp các chi tiết nhỏ v i tốc độ cao như ngành công ự ớnghiệp điệ ử hiện t n nay rất ph ổ biến loại robot này;

Trang 10

- Ứng d ng trong in 3D: trong th ụ ế giới người máy in 3D, Scara là m t lo i robot ộ ạđang trở thành ngôi sao sáng khi th c hi n nhi v in 3D này trên nhi u s n phự ệ ệ ụ ề ả ẩm vật li u khác nhau trong các nhà máy s n xu t; ệ ả ấ

- ng d ng trong hànỨ ụ : nhiệm vụ được s d ng nhi u nhử ụ ề ất đến Robot Scara chính là hàn Nó s tẽ ạo ra các đầu hàn v i chớ ất lượng đồng nh t và c i thi n hiấ ả ệ ệu quả, cùng với độ chính xác cao cho các s n ph m ph i s n xu t hàng loả ẩ ả ả ấ ạt Như vậy với nhiệm vụ được giao, đồ án môn học - thiết kế hệ thống cơ khí được trình bày theo các vấn đề như sau:

M u ở đầ

Chương 1- Giới thi u robot Scara; nhi m v ệ ệ ụ được giao

Chương 2- Động h c; không gian hoọ ạt động; động l c h c h truy n d n ự ọ ệ ề ẫ robot Scara

Chương 3- Thi t k k t c u truy n d n robot Scara ế ế ế ấ ề ẫ

Chương 4- Thi t k mô ph ng hoế ế ỏ ạt động robot Scara

K t lu nế ậ

Trang 11

Robot Scara có c u t o gấ ạ ồm 2 khớp quay cánh tay, 1 kh p quay c tay và ở ớ ở ổ

1 kh p t nh ti n, các kh p quay ớ ị ế ớ hoạt động nhờ động cơ điện m t chi u có phộ ề ản hồi v trí t o mị ạ ột vòng điều khi n kín, chuyể ển động t nh tiị ến theo phương thẳng

Khâu 3- trục vít - đai ốc bi và thanh trượt (tr c vít t nh tiụ ị ến, đai ốc quay)

được truyền động bằng động cơ điện

thông qua kh p xoay 1; ớ

- Khâu dẫn động 2 c u t o là mấ ạ ộ

thanh g n li n v i khâu dắ ề ớ ẫn động 1 v

được truyền động bằng động cơ điện

thông qua kh p xoay 2; ớ

Hình 1.1 - Robot Scara EPSON [*]

Trang 12

- Mô ph ngỏ hoạ động của robot trong không gian t hoạ động; t

- Thi t k k t c u robot Scara; ế ế ế ấ

- V tách chi t c a robot; ẽ tiế ủ

- Thi t k h ế ế ệ điều khi n robot Scara ể

Những nhiệm vụ trên đây có thể giải quy t b ng các n n t ng ế ằ ề ả như Matlab, SolidWorks, AutoCad

Trang 13

Khối lượng đặt trên khâu 3: m3 =mvit +mtkep = + =2 2 4( )kg

Khối lượng đặt trên khâu 2: m2 =mkhau2 +mdc3 =11,8+2,54= 14,34( )kgMômen xo n cắ ực đại đặt tại khớp của khâu 2: 2max=115 Nm( )

Coi hi u su t truyệ ấ ền động c a b ủ ộ giảm t c cylon là ố μ=0,9

Tính toán công xuất động cơ:

( )2max 2

- Tốc độ ớ l n nh t 3000 vòng/phút ấ được g n kèm vắ ới bộ giảm t c; ố

- Khối lượng động cơ và bộ giảm tốc là 6 kg

c- Xác định công xuất động cơ truyền d n kh p tẫ ớ ịnh tiến 3

Theo nhi m v thi t k , khâu 3 c a robot có th t t i v n t c l n nhệ ụ ế ế ủ ể đạ ớ ậ ố ớ ất v3max =

2780 (mm/s) khi ch y không t i Vì th , trạ ả ế ong trường h p này, l c d c tr c lợ ự ọ ụ ớn nhất l n mômen xo n và công suẫ ắ ất động cơ đều được thiết k không tế ải Như vậy, khối lượng khâu 3 ch bao g m ỉ ồ khối lượng tr c vít me và khụ ối lượng tay kẹp

Trang 14

215,76.26,02.10 tan 17 0,035

0,862

- 3maxv 2,78= ( m)/ là tốc độ ớ l n nh t c a tr c vít me; ấ ủ ụ

- Z=1 là s mố ối ren;

- p25=( mm) 0,025= ( )mlà bước vít

( )3

60.2,78

6672

1.0, 025

n= = rpm Chọn t s truy n c a b truyỷ ố ề ủ ộ ền động là u=1:2, tốc độ thự ế ủa động cơ: c t c

( )3

Trang 15

0,86.6672

0,679550.0,898

dc

W = = kW

Từ các thông s trên, chố ọn động cơ truyền động cho trục vít me là động cơ

AC Servo Motor BPTA007GCA6D1, công su t 750W, khấ ối lượng 2,54kg

Hình 2.10- Động cơ Servo BPTA007GCA6D

- Tên s n phả ẩm: Động cơ Servo BPTA007GCA6D1;

- Dòng điện định mức - Rated Current (Arms): 4.3;

- Momen xoắn định mức - Rated Torque (N·m): 2.39;

- Momen xo n tắ ối đa- Max Torque (N·m): 7.16;

- Tốc độ quay định mức - Rated Speed (rpm): 3000;

- Tốc độ quay tối đa - Max Speed (rpm): 4000

Tính toán thông s và ch n tr c vít meố ọ ụ - đai ốc bi

Trang 16

45

( )

3=m33 q q3+m g F3+ z (2 ) 90

Tính toán sơ bộ đường kính ren trong c a vít theo b n kéo ủ độ ề

Tính toán đường kính ren trong d : 1

- k là gi i h n b n kéo c a thép 40CrMn, có gi i h n b n kéo ớ ạ ề ủ ớ ạ ề/ 3 785 / 3 262

k = ch = = MPa;

- Fa=1295( )N là t i tr ng d c trả ọ ọ ục của vít me

( )1

Trang 17

1 2 1 23 2 1,53 0,02 26,02

tb

D = +d r − =c + − = mm (2.93) Đường kính trong của đai ốc:

Trang 18

50

Theo B ng 4.27 (trang 68, Tính toán thi t k h dả ế ế ệ ẫn động cơ khí ậ, t p một - Trịnh chất, Lê Văn Uyển) Chọn modun = 3(mm), bước đai p = 9,42 (mm).Chi u rề ộng đai:

d

b = m (2.99)

Trong đó: ψ =6…9 là hệd s chiố ều rộng đai, chọn giá tr ị nhỏ khi l y moấ đun tiêu chu n lẩ ớn hơn m tính toán và lấy giá tr lị ớn trong trường hợp ngượ ại.c l Tiêu chu n hóa theo b ng sau: ẩ ả

B ng 2.5ả - Chi u rề ộng đai răng b

Từ b ng trênả , với môđun m=3(mm), ta lựa chọn chi u rề ộng đai b= 16(mm)

Xác định thông số củ a bộ tuy n ề

Số răng của bánh đai chủ động được ch n theo b ng 4.29( trang 70, Tính toan ọ ảthi t k h dế ế ệ ẫn động cơ khí, tập 1- Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) nhằm đảm b o ả tuổi thọ cho đai

Trang 19

51

B ng 2.6ả - S ố răng của bánh đai nhỏ

Do t s truy n l a ch n là 1:2 nên ỷ ố ề ự ọ bánh đai chủ động là bánh đai lớn, bánh đai

Trang 20

B ng 2.7ả - Chiều dài đai răng ld

Trang 21

3.2- Thi t k k t cế ế ế ấ ắ u l p ghép truyền dẫn robot Scara

3.2.1- K t c u lế ấ ắp ghép khâu 0 (giá tr c nh) v i c m kh ụ ố đị ớ ụ ớp quay 1

Khâu 0 là tr c cụ ố định và ph i ch u t i tr ng l n nh t c a c 4 khâu còn l i vì ả ị ả ọ ớ ấ ủ ả ạvậy c n thi t kầ ế ế có khối lượng và đường kính tr c l n nhụ ớ ất

Hình 3.1- C u t o khâu 0 g n v i kh p quay 1 ấ ạ ắ ớ ớ

Trang 22

59

3.2.4- K t c u bàn tay k p ế ấ ẹ

Lựa chọn tay k p CHS2 S68 ẹ –

Hình 3.5- Tay k p robot CHẹ S2-S68

3.2.5- Thiế ế ế ấ ắt k k t cu l p chung robot Scara

Đi qua kết cấu lắp ghép của từng khâu ở các mục 3.2.1, 3.2.2, 3.2.3, 3.2.4, ta

đã hiểu phần nào về cơ cấu, cấu tạo của từng khâu Và để có m t cái nhìn khái ộquát nh t v k t cấ ề ế ấu c a c robot, em xin trình bày H3.7 ủ ả ở

Hình 3.6- Mô hình tổng thể ủ c a robot Scara

Trang 23

60

CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ MÔ PH NG HOỎ ẠT ĐỘNG ROBOT SCARA

4.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế; gi i thi u công c mô ph ớ ệ ụ ỏng

4.1.1- Mục đích, yêu cầu thiết kế mô phỏng

Mô hình hóa mô ph ng và phân tích cỏ ủa các hệ thống cơ khí khác nhau được thực hiện cho các mục đích:

- Đạ ự thất s u hi u hoể ạt động h ệ thống;

- Phát triển các chính sách điều hành hoặc tài nguyên để cải thi n hiệ ệu năng hệ thống

- Thử nghiệm ý tưởng hoặc h ệ thống mới được thực thi;

- Đạt được thông tin mà không làm nhi u lo n h ễ ạ ệ thống th ực t ế

4.1.2- Giới thiệu công c mô phụ ỏng

Để thi t kế mô phỏng hoế ạt động robot Scara, em s d ng ử ụ phần mềm Solidworks

Solidworkd Motion là một công cụ tạo mẫu ảo cung cấp khả năng mô phỏng chuyển động để đảm bảo chức năng thiết kế đúng cách Từ mô phỏng chuyển động đơn giản đến phức tạp

Với Solidworkd Motion bạn có thể sử dụng để phân tích các chuyển động từ các lực lượng trong mô hình bao gồm lò xo, bộ giảm chấn, động cơ, và ma sát

Cụ thể hơn Solidworkd Motion cung cấp các khả năng:

thông qua motion;

Trang 24

63

Hình 4.4- Mô hình 3D c m dụ ẫn động khâu 3 tịnh tiến

Cơ cấu bàn tay kẹp:

Hình 4.5- Mô hình 3D cơ cấu tay k p ẹ

Trang 25

Trang 26

65

K T LU N Ế Ậ

a- Những nội dung đã thực hi n và gi i quy ệ ả ết trong đồ án

“Thiết kế robot SCARA 3 b c t do” là một đề tài mang tính th c tế cao, khi ậ ự ự

mà công nghi p ngày càng phát tri n, s c nh tranh không ngệ ể ự ạ ừng đòi hỏi, năng suất và chất lượng phải được cải thi n nh dây chuy n máy móc hiệ ờ ề ện đại thay th ếlao động chân tay của con người

Như vậy trong h c phọ ần “Đồ án Thi t k h ế ế ệ thống cơ khí – Robot”, em đã được tìm hiểu được cách xây d ng mự ột mô hình robot SCARA, đồng th i tính toán và ờthi t k h ế ế ệ thống cơ khí cho robot Công việc c ụ thể hoàn thành bao gồm như sau:

- T ng quan v robot SCARA; ổ ề

- Xây d ng k t c u cho robot; ự ế ấ

- Xây d ng b n v l p ráp, chi ti t cho robot; ự ả ẽ ắ ế

- Tính toán kích thước, kiểm tra b n các khâu; ề

- Tính ch n b truy n vít me - ọ ộ ề đai ốc bi;

- Tính ch n h p gi m tọ ộ ả ốc, động cơ truyền động, cơ cấu đai truyền động;

- Tính chọn ổ bi

b- Ưu nhược điể và phương m hướng kh c ph c, hoàn thi n ắ ụ ệ

Qua đề tài trên đây, em đã biết cách vận dụng những ki n th c chuyên môn ế ứ

được đào tạo ở Đại h c Bách Khoa Hà N i trong thọ ộ ời gian qua vào th c tự ế cu c ộsống nh t là v i công nghiấ ớ ệp Em cũng học đượ ấc r t nhiều như kỹ năng làm việc nhóm, gi i quy t vả ế ấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo r t có ích cho sau này ấ

Do gi i h n vớ ạ ề thời gian cũng như kiến thức trong đồ án này, em m i chớ ỉ giải quy t m t s vế ộ ố ấn đề cơ bản trong vi c thi t k m t robot Ngoài ra còn r t nhiệ ế ế ộ ấ ều vấn đề cần ph i gi i quyả ả ết để có một s n ph m robot hoàn thi n vì v y chúng em ả ẩ ệ ậrất mong quý th y cô và các bầ ạn đóng góp ý kiến để đề tài này hoàn thiện hơn nữa

Tiêu đề	Thiết kế Robot Scara 3 bậc tự do
Tác giả	Đào Văn Nam
Người hướng dẫn	GVC, TS Nguyễn Ngọc Thành
Trường học	Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Thiết kế Hệ Thống Cơ Khí
Thể loại	Đồ Án Môn Học
Năm xuất bản	2022-2023
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	29
Dung lượng	3,58 MB