Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cho hệ thống cơ điện tử của đại học Bách khoa Hà Nội, nội dung về thiết kế hệ thống cơ khí cho robot Harmo 4 bậc tự do.
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC ROBOT TƯƠNG TỰ
Tính năng kỹ thuật của hệ thống hoặc robot cùng cỡ
Với yêu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày nay, đòi hỏi cần ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động trong sản xuất Xu hướng tạo ra nhiều hệ thống tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành Về khía cạnh kỹ thuật, các robot công nghiệp hiện nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật trước đó là các máy điều khiển từ xa bởi con người và các dụng cụ điều khiển bằng số (Numerically Controlled Machine Tools) Có thể nói rằng robot là sự kết hợp của hoạt động linh hoạt cơ chế điều khiển từ xa với mức độ "tri thức" ngày càng tăng của hệ thống điều khiển kỹ thuật số cũng như kỹ thuật sản xuất cảm biến, công nghệ lập trình và phát triển trí thông minh nhân tạo
Cho đến hiện tại, việc nâng cao năng suất của robot tiếp tục đẩy mạnh Với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ hoặc robot có nhiều tính năng đặc biệt Số lượng robot tăng lên trong khi chi phí đang giảm Kết quả là robot công nghiệp đã đóng vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại Ngày nay khoa học về Robot đã trở thành một lĩnh vực rộng lớn, bao gồm cơ học kết cấu, động lực học, lập trình quỹ đạo, tín hiệu, điều khiển chuyển động,… b) Robot Harmo trong công nghiệp sản xuất
Kể từ khi bắt đầu, robot công nghiệp đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực về thay thế sức lao động của con người Do đó, chuỗi sản xuất đã được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất có sự gia tăng đáng kể
Mục tiêu của robot công nghiệp là cải tiến, nâng cao năng suất của dây chuyền công nghệ, giảm chi phí, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, và cải thiện điều kiện lao động Đạt được những mục đích này là do các khả năng của robot như: làm việc không mệt mỏi, dễ dàng chuyển đổi, chịu đựng bức xạ và môi trường làm việc có nhiệt độ cao, nguy hiểm, "cảm nhận" từ trường và "nghe" siêu âm Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động bao gồm các máy CNC với robot công nghiệp, trong độ linh hoạt cao Các máy móc và robot được điều khiển bởi cùng một hệ thống chương trình
Trong công nghệ phun nhựa, có một giai đoạn quan trọng là giai đoạn gỡ bỏ của phôi Thông thường, sẽ có một xi lanh thủy lực riêng biệt để đẩy sản phẩm ra sau khi nó
6 đã nguội xuống trong khuôn Tuy nhiên, với những sản phẩm ép cần phải trải qua 1 khâu nữa trong quá trình công nghệ, hoặc những sản phẩm có yêu cầu cao về vấn đề vệ sinh, sạch sẽ thì trong một số máy ép nhựa hiện đại có trang bị một tay máy chuyên để gắp sản phẩm ra từ khuôn đúc và đặt ra các vị trí khác như băng chuyền, vị trí gia công tiếp theo Những máy này sẽ đảm bảo quá trình ép các sản phẩm nhựa tự động hoàn toàn trên một dây chuyền sản xuất, Harmo là một trong những tay máy thực hiện nhiệm vụ này
Một trong những robot được sử dụng là: Robot Harmo UE700SW-2R c) Một số Robot tương tự
• Robot HSX-150SW/250SW HSX-150SW / HSX-250SW là sản phẩm của Công ty Harmo, Nhật Bản Nó là một công ty lớn trong phát triển, sản xuất và bán các robot công nghiệp và các máy phụ trợ cho máy đúc nhựa Đây là những robot thiết kế mới và tốc độ cao với những chuyển động chính xác Đặc tính:
Tốc độ: Các robot HSX đạt được tốc độ cực nhanh 0.38 giây để khởi động và 2.9 giây / chu kỳ, với thân máy cứng được thiết kế dựa trên dữ liệu thu được từ phân tích từng bộ phận trên robot và bộ điều khiển HRS (Loại HSX-150)
Hệ thống bôi trơn được trang bị có hiệu suất cao, tiếng ồn thấp, làm việc lâu dài và ổn định Robot HSX có ống xả tập trung, đầu hút dầu mỡ, và vỏ bằng thép không rỉ là thiết bị tiêu chuẩn tương thích với phòng sạch
Trang bị các đường dây cáp PISCO ít bị mài mòn, ồn và bụi
Hình 1.1 Robot Harmo UE700SW-2R
+ Có sẵn các phiên bản tiếng Nhật, tiếng Anh và tiếng Trung
+ Bộ nhớ cho 50 dữ liệu khuôn với quản lý nhóm
+ Màn hình LCD màu 5.7 inch, hỗ trợ cảm ứng
• Robot HRXIII-150SWi-Rz-W/150Gwi-Rz-W
Hình 1.2 Robot HSX-150SW/250SW
Hình 1.3 Bảng thông số kỹ thuật Robot HSX-150SW/250SW
8 Đây cũng là là sản phẩm của Công ty Harmo, Nhật Bản Robot được sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau trong quy trình ép phun nhục ngang yêu cầu dỡ tải các bộ phận đúc ở tốc độ cao Đặc trưng:
Dòng HRX III được thiết kế lý tưởng góp phần nâng cao năng suất trong các nhà máy, tạo ra thời gian lấy hàng nhanh hơn và phạm vi tải trọng tối đa rộng hơn
+ Cấu trúc được thiết kế lý tưởng để giảm thời gian lấy ra (lên tới 20%)
+ Độ bền được cải thiện 69%
+ Phạm vi rung và thời gian hội tụ giảm
+ Rút ngắn thời gian thay khuôn
Hình 1.4 Robot HRXIII-150SWi-Rz-W
9 Tuy nhiên, tất cả các robot đây là những robot thế hệ mới, giá thành cao Vì vậy, em không có cơ hội để nghiên cứu sâu về robot này Do đó, trong đồ án này, em sẽ nghiên cứu về Robot Harmo UE700SW-2R hiện có tại trường.
Phân tích hệ thống Robot Harmo UE700SW-2R
Tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm các khâu, được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến công tắc Các khớp được sử dụng phổ biến là các khớp trượt và các khớp quay Tùy thuộc vào số lượng và cách bố trí của các khớp, chúng ta có thể tạo ra cánh tay robot kiểu tọa độ Đề-các, tọa độ trụ, hay tọa độ cầu, SCARA và kiểu tay người
Robot Harmo UE700SW-2R là tay máy kiểu tọa độ Đề-các hay còn gọi là kiểu hình chữ nhật, dụng ba khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục tọa độ Vùng làm việc của cánh tay robot có hình hộp chữ nhật Do tính đơn giản của cấu trúc, loại cánh tay robot này có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo
Hình 1.5 Bảng thông số kỹ thuật Robot HRXIII-150SWi-Rz-W
10 léo Vì vậy, loại tay máy này thương được sử dụng cho vận chuyển và lắp ráp Dưới đây là mô hình Robot Harmo UE700SW-2R:
Từ mô hình trên, ta có thể xây dựng sơ đồ động học của Robot Harmo UE700SW-2R:
Hình 1.6 Mô hình Robot Harmo
1.2.2 Phân tích nguyên lý làm việc của hệ thống Tính năng kỹ thuật cơ bản của Robot
• Khối lượng vật gắp max: M 00g
• Chiều cao thân Robot: 1450mm
• Số bậc tự do: 3 tịnh tiến theo các trục X, Y, Z; 1 quay quanh trục X
• Kích thước bậc tự do tịnh tiến theo Oy:
- Chiều dài theo phương y: 1850mm
- Giới hạn chuyển động trục y: 1600mm
• Kích thước bậc tự do tịnh tiến theo Ox:
- Chiều dài theo phương x: 1200mm
- Giới hạn chuyển động trục x: 500mm
• Kích thước bậc tự do tịnh tiến theo Oz:
- Chiều dài theo phương z: 1050mm
- Giới hạn chuyển động trục z: 600mm
Hình 1.7 Sơ đồ động học Robot Harmo UE700SW-2R
• Bậc tự do quay theo trục Y, góc quay 90 o a Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y
Chuyển động tịnh tiến dọc trục Y có nhiệm vụ đưa toàn bộ tay máy cùng di chuyển Bậc tự do này được dẫn động bằng động cơ điện servo lắp qua hộp giảm tốc với tỷ số truyền 1:10 đưa ra vận tốc cuối cho bậc tự do
- Động cơ Servo AC M1 (P = 0.2KW; n = 1800 vòng/phút) – nguồn động lực dẫn động
- Hộp giảm tốc với tỷ số truyền 1:10
- Thanh trượt đuôi én có tác dụng dẫn hướng
Hình 1.8 Sơ đồ mô phỏng theo trục Y
13 b Bậc tự do tịnh tiến theo trục X
Bậc tự do tịnh tiến dọc trục X được thực hiện nhờ chuyển động tịnh tiến khứ hồi của piston trong xylanh, trong đó trục của piston và xylanh trùng với trục X, xylanh gắn cố định còn piston dịch chuyển
Bậc tự do này sử dụng ba khớp tịnh tiến làm việc độc lập với nhau Trong đó một khớp gắn với chuyển động của piston - xylanh tham gia thực hiện thao tác của robot, khi muốn đưa tay robot ra thì ta đưa khí nén vào buồng phía sau xylanh, dưới tác dụng của khí nén piston bị đẩy ra phía trước, và ngược lại khi muốn đưa tay robot vào thì ta đưa khí nén vào buồng phía trước xylanh, dưới tác dụng của khí nén piston bị đẩy về phía sau Hai khớp tịnh tiến còn lại sử dụng cho quá trình đặt cữ làm việc, điều chỉnh qua truyển động cho cơ cấu vít me – đai ốc thực hiện nhờ các động cơ điện
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý theo trục Y
Hình 1.10 Sơ đồ mô phỏng theo trục X
14 Các khớp tịnh tiến được dẫn hướng nhờ các sống trượt hình trụ gắn cố định trên trục X (dẫn hướng bằng ma sát lăn) Hệ thống sử dụng nguồn khí nén P = 0.2MPa điều chỉnh thông qua van tiết lưu c Bậc tự do tịnh tiến theo trục Z
Chuyển động tịnh tiến lên xuống dọc trục Z được thực hiện nhờ chuyển động tịnh tiến khứ hồi của piston trong xilanh, trục của piston va xilanh trùng với trục Z, xilanh gắn cố định piston dịch chuyển Khi muốn đưa tay robot lên thì ta đưa khí nén vào buồng phía dưới xylanh, dưới tác dụng của khí nén piston bị đẩy lên trên, và ngược lại khi muốn đưa tay robot xuống thì ta đưa khí nén vào buồng phía trên xylanh Hành trình làm việc của piston chỉ giới hạn trên chiều dài xylanh nhưng nhờ cơ cấu bánh răng - đai răng nên
Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý theo trục X
Hình 1.12 Sơ đồ mô phỏng theo trục Z
15 không gian làm việc của bàn tay kẹp robot Harmo được mở rộng thêm, do đó nó có thể làm việc với chiều dài gấp đôi chiều dài hành trình piston trong xylanh
Robot có thể gắp và thả vật ở những độ cao khác nhau nhờ cơ cấu vitme - đai ốc được sử dụng để đạt cữ hành trình trong chuyển động dọc trục Z Dẫn động cho cơ cấu vitme-đai ốc là một động cơ điện một pha đảo chiều bằng cuộn dây Trục động cơ không trùng với trục vitme, chuyển động quay của trục động cơ được chuyền tới vitme thông qua cơ cấu bánh răng - đai răng Nguồn động lực dẫn động của cơ cấu là xylanh khí nén tác động hai chiều d Bậc tự do quay quanh trục X
Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý theo trục Z
16 Bậc tự do quay này thực hiện nhiệm vụ quay bàn kẹp quay trục OX để đưa bàn kẹp tới hai vị trí song song với phương ngang và vị trí vuông góc với phương ngang như một cổ tay người Giống với các bậc tự do trục X và trục Z bậc tự do này sử dụng nguồn động lực khí nén sử dụng xylanh khí nén tác động hai chiều với piston một đầu cần
Về mặt cấu tạo cơ cấu bàn tay kẹp gồm một giá cố định được gắn cố định với cán tay robot, một cụm piston – xylanh khí nén nối với giá bằng các khớp quay trụ, một bàn tay kẹp có thể quay 90 0
1.2.3 Phương trình động học và hệ toạ độ của Robot a Thiết lập hệ toạ độ của robot Để tính toán phương trình động học thuận cho một tay máy chuỗi, một phương pháp tổng quát có hệ thống cần được suy ra để xác định vị trí tương đối và hướng của hai khâu liên tiếp; vấn đề là cần xác định hai khung toạ độ gắn với hai khâu và tính toán của các phép biến đổi toạ độ giữa chúng Nói chung, các khung toạ độ có thể được chọn tuỳ ý miễn là chúng được gắn với khâu mà chúng được tham chiếu Tuy nhiên, rất tiện lợi khi thiết lập một số quy tắc cho việc định nghĩa các khung toạ độ khâu
Quy tắc do Denavit-Harttenberg (DH) đề xuất năm 1955 được sử dụng phổ biến để mô tả mối quan hệ về mặt động học giữa hai khâu liên tiếp Theo phương pháp DH, thứ tự các khâu và khớp được đánh số như sau: khâu số 0 là giá cố định đối với tay máy
Hình 1.14 Sơ đồ mô phỏng quay quanh trục X
17 thường, còn đối với tay máy lắp trên giá di động thì khâu số 0 chính là giá di động đó
Khâu đầu tiên nối với giá là khâu 1 và tăng dần đến khâu n là bàn kẹp hoặc dụng cụ chuyên dụng Các khớp cũng được đánh số từ 1 đến n, khớp nối của giá với khâu 1 là khớp số 1
Theo quy tắc DH, ta dựng các hệ trục toạ độ khâu (i) như sau:
• Trục Zi là trục của khớp (i + 1) nối khâu (i) với khâu (i + 1)
• Gốc O(i) là giao điểm của Z(i) với đường vuông góc chung của hai trục Z(i) và Z(i-1)
• Trục X(i) là đường vuông góc chung của hai trục Z(i - 1) và Z(i), hướng từ Z(i - 1) sang Z(i)
• Trục Y(i) được chọn sao cho hệ trục toạ độ là thuận
• Áp dụng quy tắc DH trên đối với robot Harmo ta được:
Hình 1.15 Thiết lập hệ toạ độ cho robot Harmo
18 Theo quy tắc này, trong các trường hợp sau đây, việc xây dựng hệ toạ độ khâu là khâu duy nhất:
• Hệ toạ độ 0 mới chỉ có trục Z(0) xác định, còn lại gốc O(0) và hướng trục X(0) có thể chọn tuỳ ý
• Hệ toạ độ n, do không có khớp (n + 1) , trục Z(n) có thể chọn tuỳ ý và trục X(n) phải vuông góc với Z(n – 1) Thông thường, nếu khớp n là khớp quay, nên chọn Z(n) song song với Z(n – 1)
• Nếu hai trục khớp liên tiếp không song song, thì đường vuông góc chung là không duy nhất
• Nếu hai trục khớp liên tiếp Z(i – 1) và Z(i) giao nhau, thì chiều của trục X(i) là tuỳ chọn 1 trong 2 chiều
• Nếu khớp i là tịnh tiến, chiều trục Z(i-1) là tuỳ chọn b Xác định bộ thông số DH
Sau khi xây dựng các hệ trục toạ độ khâu, vị trí và hướng của hệ (i) so với hệ (i-1) được xác định bởi thông số sau:
• ai: độ dài đường vuông góc chung giữa trục hai khớp động liền kề
• di: độ dài đường vuông góc chung giữa X(i – 1)và X(i) (toạ độ của Oi trên trục Z(i – 1)
• αi: góc giữa trục Z(i – 1) và Z(i) quay quanh trục X(i) và được lấy giá trị dương nếu quay ngược chiều kim đồng hồ
• θi: góc giữa trục X(i – 1) và X(i) quay quanh trục Z(i – 1), được lấy giá trị dương khi quay ngược chiều kim đồng hồ
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG MỚI
Thiết kế sơ đồ động học
Về cơ bản, sơ đồ động học của robot thiết kế mới sẽ tương đương với robot Harmo ở các khâu gắn với các bậc tự do X, Y, Z Tuy nhiên, do có thay đổi về hướng của tay kẹp (từ X+ sang Y+) nên ta sẽ có sơ đồ động học của robot thiết kế mới như sau:
Xác định hệ toạ độ cho các khớp và bộ thông số DH
Tương tự như với robot Harmo tham khảo, ta có thể xác định được hệ toạ độ cho robot thiết kế mới theo các bước như đã trình bày:
Hình 2.1 Sơ đồ động học robot thiết kế mới
23 Căn cứ vào hệ toạ độ được xác định trên, ta cũng chỉ ra được bộ thông số DH như sau: (với * là các biến khớp)
Thiết lập phương trình động học cho Robot
Trước hết, ta thiết lập các ma trận biến đổi 𝐴 𝑖−1 𝑖 Ngoài phương pháp đã được nêu ở mục 1.2.3-c, ta có thể sử dụng phương pháp đơn giản hơn như sau:
Hình 2.2 Hệ toạ độ cho robot thiết kế mới
24 Ở phương pháp này, ta sẽ chiếu lần lượt các trục xi, yi, zi của hệ trục toạ độ Oi lên lần lượt các trục xi-1, yi-1, zi-1 của hệ toạ độ Oi-1 Ngoài ra, toạ độ của Oi trong hệ toạ độ Oi-1 đã được chú thích như trên Thực hiện phương pháp trên ta thu được các ma trận:
Phương trình động học cơ bản của robot thiết kế mới là:
Thiết kế truyền dẫn cho các bậc tự do của robot mới
Tính toán tốc độ quay và công suất động cơ của bậc tự do tịnh tiến theo trục Y
Các thông số đầu vào:
• Hộp giảm tốc có tỷ số truyền là: 1:10
• Khối lượng bậc tự do: m = (mX0 + mY0 + mZ0 + mvật).kat
• Hệ thống truyền động thanh răng – bánh răng với thanh răng: 1850x20x20 mm, mô đun m = 2; bánh răng: Z = 30; m = 2 => d = mZ = 60 (mm) (lấy tham khảo) Vận tốc trên cơ sở lý thuyết được tính như sau:
• v: vận tốc dài của tay máy:
• n: tốc độ quay của bánh răng (vòng/phút)
• d: đường kính của bánh răng
.60 ≈ 150 (vòng/phút) Với hộp giảm tốc có tỷ số truyền là 1:10 Như vậy, tốc độ thực tế của động cơ là: nđc = n.10 = 1500 (vòng/phút) b Tính toán công suất của động cơ:
Các thông số đầu vào:
• Vận tốc của bậc tự do tịnh tiến: (giả thiết) v = 0.47 (m/s)
• Gia tốc max: a = 0,3g = 0,3.9,8 = 2.94 (m/s 2 ) Lực trọng trường: Fg = m.g = 60,8 x 9,8 = 596,448 (N) Lực ma sát: Fms = μ Fg = 0.2 x 596,448 = 119,29 (N) (với vật liệu thép – thép có μ 0,2)
→ Tổng lực cản của bậc tự do: F = Fg + Fqt = 119,29 + 178,752 = 298,042 (N)
Công suất của động cơ: P = 𝐹.𝑣
+ F: tổng lực cản trên bậc tự do (N)
26 + v: vận tốc trên bậc tự do (m/s)
+ 𝜂: hiệu số truyền động Hộp giảm tốc bánh răng trụ có tỉ số truyền 1:10 , sử dụng hộp giảm tốc 2 cấp:
- Hiệu suất 1 cặp ổ lăn: ηol = 0.99 - Hiệu suất 1 khớp nối trục: ηkn = 0.99 - Hiệu suất 1 bộ truyền bánh răng: ηbr = 0.97
Chọn động cơ: Lựa chọn động cơ hãng Mitsubishi GM-S series có thông số kỹ thuật như sau:
- Điện áp cung cấp: 200/220 VAC (50-60Hz) - Công suất: 200W
- Momen xoắn max: 12Nm (50Hz) - Tốc độ quay trục ra: 150rpm (50Hz); 180rpm (60Hz) - Tỷ số truyền: 1:10
Hình 3.1 Thông số động cơ trục Y
27 c Kiểm nghiệm lại bánh răng-thanh răng:
Tổng lực tác dụng: F = 298,042 (N) Momen xoắn max: M = 12(Nm) Đường kính bánh răng thoả mãn: Mbr ≥ T
Lựa chọn bánh răng trụ thẳng của hãng Misumu: spur gear Module m = 2; số răng Z = 30; đường kính d = 60mm; vật liệu thép cacbon chịu lực S45C
Thanh răng dẫn hướng hãng Misumi: LRGREA-2.0-ST-1800-k11:
Module m = 2; gia công lỗ mặt bên, chiều dài 1850mm, gia công 11 lỗ cách đều 150mm, vật liệu thép cacbon chịu lực S45C.
Tính toán bậc tự do sử dụng pit tông xy lanh khí nén
• Khối lượng tịnh tiến: m = (mXo + mZo + mvật).kat = (12+7+2).1,6 = 33,6(kg)
• Áp suất khí nén sử dụng trong công nghiệp: p = 0,75 psi ≈ 0,5 MPA Lực cần thiết để pittong di chuyển: Fqt = m.a = 33,6 2,94 = 98,784 (N) Lực ma sát: Fms = m.g.μ = 33,6 9,8 0,2 = 65,856 (N)
Ta có: F = p.A => Diện tích pittong A là: A = 𝐹
28 Với D là đường kính mặt đầu của pittong tính sơ bộ nên khi chọn pittong, ta cần chọn D > giá trị tính sơ bộ để đảm bảo mặt vành khăn của pittong hoạt động được ổn định
Tham khảo Catalog hãng AIRTAC, lựa chọn piston-xylanh tác động kép:
SAILB40*500: https://hoahung.com.vn/wp-content/uploads/2020/04/Xy-lanh-SAIL.pdf
- Đường kính trong: 40 (mm) - Đường kính trục piston: d = 16(mm) - Áp suất hoạt động: 0,15-1 (Mpa) - Hành trình: 500(mm)
Kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm dưới đây là đối với mặt vành khăn
4 (D: đường kính mặt đầu; d: đường kính trục pittong) Để hệ thống hoạt động ổn định: Fpittong > (Fcản + Fcản riêng pittong)
Hình 3.2 Thông số piston-xylanh cho bậc tự do X
29 b Bậc tự do tịnh tiến theo trục Z: (Hướng pittong hướng lên trên) Tính sơ bộ:
• Khối lượng tịnh tiến: m = (mvật + mZo).kat= (2 + 7).1,6 = 14,4 (kg)
• Áp suất khí nén sử dụng trong công nghiệp: p = 0,75 psi ≈ 0,5 MPA
Xét khi pittong di chuyển lên:
Phương trình cân bằng lực: F = (Fg + Fqt)*katc
• F = p.A: lực tác dụng của pittong
• Fqt: lực quán tính Fqt = m.a = 14,4 2,94 = 42,336(N)
• Katc=1,2: hệ số an toàn xét đến trường hợp khi xylanh bị nghiêng so với phương thẳng đứng
500000 = 4,4.10 -4 (m 2 ) => D = 23,6 (mm) Với D là đường kính mặt đầu của pittong tính sơ bộ nên khi chọn pittong, ta cần chọn D > giá trị tính sơ bộ để đảm bảo mặt vành khăn của pittong hoạt động được ổn định
Tham khảo Catalog hãng AIRTAC, lựa chọn piston-xylanh tác động kép:
SAILB40*300: https://hoahung.com.vn/wp-content/uploads/2020/04/Xy-lanh-SAIL.pdf
- Đường kính trong: 40 (mm) - Đường kính trục piston: d = 16(mm) - Áp suất hoạt động: 0,15-1 (Mpa) - Hành trình: 300mm
Kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm dưới đây là đối với mặt vành khăn:
4 (D: đường kính mặt đầu; d: đường kính trục pittong) Để hệ thống hoạt động ổn định: Fpittong > (Fcản + Fcản riêng pittong)
Chuyển động quay quanh X 0 và kẹp vật
Ta mô hình hoá kết cấu và tính cho trường hợp robot kẹp chi tiết có khối lượng m=2kg khi quay tay kẹp từ phương ngang lên, tính toán gần đúng với các thông số được cho dưới đây:
- Bán kính trọng tâm: r = 150mm - Bán kính trục khuỷu: a = 35mm - Góc: β = 110 o ; θ = 120 o ; γ = 45 o
Hình 3.3 Thông số piston-xylanh cho bậc tự do Z
31 Xét phương trình cân bằng momen đối với tâm quay O3:
• F: Lực cần thiết để kéo
→ Lực kéo của pittong là: Fpittong = F.kat = 273,44 1,2 = 328,128 (N)
500000 = 5,526.10 -4 (m 2 ) => D = 28,9 mm Với D là đường kính mặt đầu của pittong tính sơ bộ nên khi chọn pittong, ta cần chọn D > giá trị tính sơ bộ để đảm bảo mặt vành khăn của pittong hoạt động được ổn định
Hình 3.4 Mô hình hoá kết cấu quay quanh X
32 Tham khảo Catalog hãng AIRTAC, lựa chọn piston-xylanh tác động kép:
SAILB40*50: https://hoahung.com.vn/wp-content/uploads/2020/04/Xy-lanh-SAIL.pdf
- Đường kính trong: 40 (mm) - Đường kính trục piston: d = 16(mm) - Áp suất hoạt động: 0,15-1 (Mpa) - Hành trình: 50mm
Kiểm nghiệm: Kiểm nghiệm dưới đây đối với mặt vành khăn:
4 (D: đường kính mặt đầu; d: đường kính trục pittong) Để hệ thống hoạt động ổn định: Fpittong > (Fcản + Fcản riêng pittong)
3.3.2 Kẹp vật sử dụng piston-xylanh
- Sử dụng piston-xylanh tác động đơn, hồi lò xo - Khối lượng vật: mvật = 2kg
- Gia tốc: a = 0,3.g = 2,94 m/s 2 - Áp suất khí nén: p = 0,5 Mpa - Hệ số ma sát giữa má kẹp và chi tiết: μ = 0,7 (cao su – thép) - Lực tác dụng lên piston khi chuyển động: Fpt = (p – pmin).A
4 (A: diện tích mặt cắt pittong, D: đường kính pittong) pmin: áp suất tối thiểu để pittong hoạt động
- Hệ số an toàn: k = 1,3 - Lực kẹp vật: Fk
- Lực lò xo piston: Flx
- Lực quán tính: Fqt = mvật.a = 2 2,94 = 5,88 (N) - Trọng lực: P = m.g = 2 9,8 = 19,8 (N)
- Lực ma sát: Fms = Fk μ = 0,7.Fk
- Lực tổng hợp: Ft Mô hình hoá sơ đồ kẹp vật và lực tác dụng như sau:
33 Điều kiện để nâng được vật:
2.Fms > Fqt + P → 2 0,7 Fk > 5,88 + 19,8 → Fk > 18,3 (N) => Chọn Fk = 20N
Fk = Ft - Flx → Ft = 20 + Flx Trong trường hợp tính sơ bộ, ta tạm lấy Fpittong = Ft kat = 20 1,3 = 26 (N)
500000 = 5,2.10 -5 (m 2 ) => D = 8,13 mm Tham khảo Catalog hãng AIRTAC, lựa chọn piston-xylanh tác động đơn : ACP 16*30: https://khinenthuanhung.vn/catalogue-thong-so-xi-lanh-khi-nen-kcc-acp/
- Đường kính trong 16 (mm) - Áp suất hoạt động : 0.15 – 0,7 (Mpa) - Hành trình : 20 (mm)
- Sử dụng van đảo chiều 5/2 (4V210) một đầu điều khiển bằng điện từ, một đầu điều khiển bằng lò xo
Hình 3.5 Sơ đồ phân bố lực
Kiểm nghiệm lại: Để hệ hoạt động ổn định: Fpittong > (Fcản + Fcản riêng pittong + Flx)
→ Vậy lựa chọn Piston-xylanh ACP 16*30 là hợp lý
Hình 3.6 Thông số piston-xylanh cho tay kẹp
THIẾT KẾ KẾT CẤU CÁC BẬC TỰ DO
Thiết kế bậc tự do chuyển động tịnh tiến theo trục Y
Chuyển động tịnh tiến theo trục Y đưa toàn bộ cánh tay robot cùng di chuyển, bậc tự do được bố trí 1 động cơ lắp thông qua một hộp giảm tốc tỷ số truyến 1:10 đưa ra vận tốc cuối của bậc tự do
Nguồn động lực của bậc tự do này chỉ có động cơ M1 Động cơ này là biến tần ba pha, với các thông số như sau: Công suất 0.2Kw, nguồn điện 200V - ba pha, n = 1500 vòng/phút, tần số 50/60 Hz Ngay dưới động cơ là hộp giảm tốc có tác dụng làm giảm tốc độ của trục động cơ sao cho phù hợp tốc độ yêu cầu và thỏa mãn với khối lượng cánh tay máy Hộp giảm tốc có tỷ số truyền 1:10 tức là tốc độ đầu ra của hộp giảm tốc là nđc/10 Đáp ứng được việc di chuyển trên nhờ vào bộ truyền bánh răng thăng răng, bánh răng với các thông số là m=2; Z0 răng, được lắp với trục ra của hộp giảm tốc Thanh răng với thông số là m=2; kích thước 1860x20x20 Bộ truyền thanh răng này biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của tay máy Bộ truyền này có thể nói là khả thi nhất, tối ưu nhất và hiệu quả cao nhất Để tay máy làm việc thường xuyên mà không phải bôi trơn, bảo dưỡng thì đó là một bài toán bắt buộc phải giải khi thiết kế robot Và kết quả của bài toán đã đựơc chứng minh bằng cặp ma sát lăn (Bi) của kết cấu dẫn hướng đuôi én thay bằng ma sát trượt bi
Việc thay ma sát trượt bằng ma sát lăn do ma sát lăn có môt số ưu điểm hơn hẳn ma sát trượt ở môt số điểm sau:
- Giảm mất mát công suất do ma sát Ô lăn làm tăng đô nhạy của thiết bị, và đặc biệt có lợi trong các cụm máy yêu cầu dừng và mở máy thường xuyên
- Giảm chi phí chất bôi trơn, bảo dưỡng thuận tiện…
Thiết kế bậc tự do chuyển động tịnh tiến theo trục X
Bâc tự do tịnh tiến theo trục X được thực hiện nhờ chuyển động tịnh tiến khứ hổi của piston trong xylanh, trong đó trục của piston và xylanh trùng với trục X, xylanh được gắn cố định, piston dịch chuyển Trên bậc tự do tịnh tiến dọc trục X sử dụng hai khớp tịnh tiến Trong đó môt khớp tịnh tiến gắn với chuyển đông của piston và xylanh tham gia thực hiên các thao tác của Robot Một khớp tịnh tiến còn lại sử dụng cho quá trình đặt cữ làm việc của Robot Các khớp tịnh tiến trên trục X có thể hoạt đông đôc lập với nhau Khớp tịnh tiến thực hiện chuyển đông tịnh tiến dọc trục X là piston - xylanh hạn chế 4 bậc tự do: hai bậc tự do tịnh tiến theo trục Y và Z, hai bậc tự do quay theo trục Y và Z, và còn lại hai bậc tự do: tịnh tiến và quay theo phương X Nhưng do chuyển đông tịnh tiến dọc trục X có cơ cấu dẫn hướng nên bậc tự do quay quanh trục X không thực hiện được Hệ thống piston xylanh sử dụng trong bậc tự do tịnh tiến theo phương X là dạng xylanh tác đông kép với piston môt đầu cần Quá trình chuyển đông tiến và lùi của
Hình 4.1 Bậc tự do tịnh tiến theo trục Y
37 piston trong xylanh đều được thực hiên bằng khí nén Do nhược điểm của hê thống truyền dẫn khí nén thường kèm theo dao đông, không chính xác lúc dừng nên ở hai đầu xylanh thường có kết cấu giảm chấn điều chỉnh được Kết cấu giảm chấn này thường là các miếng đêm, khi piston đi gần hết hành trình miếng đêm sẽ chặn đường ra của khí nén, chỉ để lại một lỗ thoát nhỏ, do đó khí nén sẽ thoát ra từ từ qua van tiết lưu làm châm chuyển đông của piston do đó giảm va đập của piston với xylanh ở cuối hành trình Bên cạnh đó, do có cơ cấu đặt cữ hành trình nên khoảng hành trình của piston có thể bị rút ngắn lại, piston có thể không đi hết chiều dài xylanh Để tránh va đập trong quá trình piston gặp cữ, ở đầu các cữ giới hạn hành trình được gắn các miếng cao su, đổng thời có các lò xo giảm chấn bên trong để giảm bớt va đập Các khớp tịnh tiến làm nhiêm vụ giới hạn hành trình và xác định vị trí hành trình làm việc của Robot là các cơ cấu vitme - đai ốc Các khớp tịnh tiến này hạn chế 4 bậc tự do: tịnh tiến theo hai trục Y, Z và quay quanh hai trục Y, Z Bậc tự do quay quanh trục X và bậc tự do tịnh tiến dọc trục X phụ thuộc lẫn nhau: khi vitme quay tương đối với đai ốc với số vòng quay nhất định sẽ gây ra chuyển động tương đối theo phương trục X với chiều dài dịch chuyển tương ứng Do đó cơ cấu vitme đai ốc là khớp loại 5, số bậc tự do tương đối là 1 Cơ cấu vít me - đai ốc được sử dụng trong quá trình đặt cữ do có cấu tạo đơn giản, lực công tác lớn (do phải dịch chuyển cụm tay máy) trong khi đó kích thước nhỏ gọn, thực hiên được chuyển đông chậm, tương đối chính xác Khớp tịnh tiến giới hạn hành trình làm viêc thực hiên nhờ chuyển động quay của vitme làm đai ốc tịnh tiến sẽ thu hẹp hay mở rộng hành trình làm viêc của Robot Tuy nhiên hành trình làm viêc tối đa của Robot trên trục X không vượt quá hành trình của piston trong xylanh Cơ cấu vitme - đai ốc còn lại có đai ốc quay, trục vitme cố định trên cụm chi tiết khi thực hiên đặt cữ, đai ốc tịnh tiến dọc trục vitme sẽ di chuyển hành trình làm viêc theo trục X ra xa hay vào gần chân đế của Robot Như vậy hành trình làm viêc của Robot trên trục X chỉ giới hạn trên chiều dài không quá hành trình của piston trong xylanh nhưng nhờ cơ cấu đặt cữ nên không gian làm viêc của tay kẹp Robot Harmo được mở rông, do đó có thể thực hiên nhiều chương trình làm việc với các vị trí thao tác khác nhau tại cùng môt vị trí lắp đặt Robot
Cơ cấu vitme - đai ốc được sử dụng để đặt cữ hành trình cho Robot do quá trình đặt cữ yêu cầu chuyển đông chậm và tương đối chính xác Đối với cơ cấu vitme - đai ốc sử dụng trong Robot Harmo cần thực hiện chuyển đông theo hai chiều, do đó loại ren của vitme - đai ốc là ren thang có thể chịu lực trên cả hai mặt ren, có góc profin nhỏ, nhờ vậy có ma sát tương đối nhỏ, hiệu suất truyền đông cao Truyền đông cho cơ cấu vitme
38 - đai ốc thực hiên nhờ các đông cơ điên Với cơ cấu đặt cữ hành trình, trục đông cơ trùng với trục vitme, nối với trục vitme thông qua môt khớp nối, vitme quay khi đông cơ hoạt đông làm dịch chuyển cữ hành trình dọc theo vitme
Với cơ cấu đặt vị trí hành trình, trục vitme song song với trục truyền đông từ hôp giảm tốc gắn với đông cơ, truyền đông giữa đai ốc và đông cơ thực hiên thông qua bô truyền đai răng Bánh đai nối với trục ra của hôp giảm tốc bằng then Bánh đai còn cũng chính là đai ốc, khi bánh đai quay làm đai ốc tịnh tiến dọc trục vitme Bô truyền đai có khả năng truyền đông giữa hai trục đặt cách xa nhau, tuy nhiên do có lực căng đai nên bô truyền có tải trọng phụ, vi vây bô truyền thích hợp cho truyền đông với tải trọng nhỏ, hoàn toàn phù hợp cho cơ cấu đặt vị trí hành trình
Truyền đông quay từ cơ cấu đông cơ đặt cữ- hôp giảm tốc đến vitme giới hạn hành trình được thực hiên nhờ khớp nối trục đàn hồi Khớp nối này gồm hai nửa nối trục lắp chặt với trục đông cơ và vitme, ở giữa có bô phân đàn hồi liên kết hai nửa nối trục Khi ứng dụng trong Robot Harmo, nối trục đàn hổi chủ yếu bù lại đô lệch trục giữa vitme và trục ra của hôp giảm tốc Tác dụng giảm va đâp, chấn đông và đề phòng công hưởng không rõ rệt do tốc đô quay thấp Loại nối trục đàn hổi được sử dụng là nối trục đàn hổi với đĩa hình sao Loại nối trục này có cấu tạo đơn giản, có thể hoạt đông bình thường với đô lệch tâm đến 0,2 mm và đô lệch góc tới 1°30' Hai nửa nối trục được lắp cố định với vitme và trục truyền đông nhờ vít chìm
Các khớp tịnh tiến được định hướng nhờ các sống trượt hình trụ gắn cố định trên trục X Các vòng bi tịnh tiến dọc sống trượt đảm bảo chiều chuyển đông của các khớp theo phương trục sống trượt Các loại sống trượt và vòng bi sử dụng trên bâc tự do tịnh tiến dọc trục
Thiết kế bậc tự do chuyển động tịnh tiến theo trục Z
Chuyển đông tịnh tiến lên xuống theo trục Z được thực hiên nhờ chuyển đông tịnh tiến khứ hổi của piston trong xylanh Trong đó trục của piston và xylanh trùng với trục chuyển đông, xylanh được gắn cố định còn piston dịch chuyển Hành trình làm việc của piston chỉ giới hạn trên chiều dài của xylanh nhưng nhờ cơ cấu bánh đai - đai răng nên không gian làm việc của tay kẹp Robot Harmo được mở rông thêm, do đó nó có thể thực hiện hành trình làm việc với chiều dài hành trình gấp đôi chiều dài hành trình piston trong xylanh Tương tự như trong bậc tự do tịnh tiến dọc trục OX, trên bậc tự do này cũng có cơ cấu đặt cữ hành trình cho tay máy, cụ thể là cữ dưới của hành trình Nhờ vậy Robot có thể gắp vật và thả vật ở những đô cao khác nhau Cơ cấu vitme - đai ốc được sử dụng để đặt cữ hành trình trong chuyển đông dọc trục Z cũng tương tự như cơ cấu sử dụng cho quá trình đặt cữ trên trục X
Dẫn động cho cơ cấu vitme - đai ốc cũng là môt động cơ điện môt pha đảo chiều bằng cuộn dây Trục động cơ không trùng với trục vitme, chuyển động quay của trục đông cơ được truyền tới vitme thông qua cơ cấu bánh răng- đai răng Nguồn đông lực (nguồn dẫn đông) của cơ cấu (bậc tự do) là xy lanh khí nén tác động hai chiều Khi muốn đưa tay Robot lên thì ta đưa khí nén vào buồng phía dưới của xi lanh, dưới tác dụng của khí nén, piston bị đẩy lên trên, kéo theo đai răng chuyển động lên trên tay máy được kéo
Hình 4.2 Bậc tự do tịnh tiến theo trục X
40 lên cao Ngược lại khi muốn đưa tay máy xuống thì ta đưa khí nén vào buồng xy lanh bên trên và piston bị đẩy xuống dưới cùng nghĩa với việc làm tay máy hạ xuống
Về mặt cấu tạo, về cơ bản tay máy được cấu tạo bởi 3 thanh trượt được kết nối với nhau bởi chính cơ cấu xilanh-piston và cơ cấu đai răng- bánh răng, và được dẫn hướng bằng các thanh dẫn hướng đuôi én- bi dọc trục lên xuống Thanh trượt giữa được gắn với piston, chuyển đông dọc trục xy lanh cùng với piston và cũng được dẫn hướng lên xuống bởi môt thanh dẫn hướng đuôi én - bi Robot được cấu tạo như vậy là bởi chỉ có làm như vậy mới có thể tăng không gian làm việc và tăng đô linh hoạt cho tay máy của Robot
Xylanh khí nén là xy lanh tác đông kép với piston một đầu cần Đây là loại xy lanh được dùng tương đối phổ biến, so với xy lanh tác động đơn, nó có nhiều lợi thế: hành trình tiến không phải chịu tác động của lực lò xo hổi vị và hành trình lùi được thực hiên nhanh và đều đặn hơn Đây là một đặc điểm rất cần cho một Robot chuyên dụng như Robot Harmo Vì đặc tính công việc của Robot này là gắp sản phẩm ra khỏi máy ép nhựa (có năng suất cao) Cũng như các kết cấu xy lanh khí nén khác, nó cũng kết cấu giảm chấn là các bạc giảm chấn tạo cho chuyển động tới vị trí kết thúc hành trình một cách êm ả Ngay trước khi kết thúc hành trình bạc giảm chấn lọt vào lỗ khoan ở ngay đầu mút xy lanh ngăn không cho khí trong vùng hình vành khăn của pittông và đầu mút xylanh thoát nhanh ra ngoài lượng khí này được nén lại bởi cần piston và nó 44 có tác dụng giảm dần vân tốc của piston ngay trước khi hành trình kết thúc, tránh sự va đập giữa cần piston và nắp xy lanh, đêm khí sẽ đi qua một lỗ khoan nhỏ tới van tiết lưu một chiều và thải từ từ ra ngoài Nhưng trong Robot Harmo thì ít khi phải sử dụng tới tính năng này của xy lanh bởi chuyển động của tay máy được khống chế bằng các cữ đặt cho hành trình, chính các cữ này quyết định điểm kết thúc của hành trình chứ không phải chiều dài của xy lanh Ở đây ta dễ dàng thấy được ba thanh cơ bản làm nên tay máy của Robot là làm bằng vật liêu là nhôm Không phải là vật liêu có thể chịu đựng được những điều kiên khắc nghiệt như mang những vật nặng và cổng kềnh, lý do được giải thích đơn giản là bởi vì Robot này được chế tạo để làm việc tích hợp với máy ép nhựa, mà nhiệm vụ là gắp sản phẩm ra khỏi khuôn ép (đòi hỏi phải tác đông và đảo chiều nhanh chóng^ quán tính không được quá lớn, hay bị giới hạn về mặt khối lượng) Vì thế” nên tay máy phải làm sao cho càng đơn giản, gọn nhẹ càng tốt
Thiết kế bậc tự do chuyển động quay quanh trục X
Bậc tự do quay này thực hiên nhiêm vụ quay bàn kẹp quanh trục OX để đưa bàn kẹp tới hai vị trí song song với phương ngang (vị trí HORIZONTAL) và vị trí vuông góc với phương ngang (vị trí VERTICAL) như một cổ tay người, nên ta gọi bậc tự do này là cổ tay của Robot Hoạt động của nó hoàn toàn được thực hiên bằng khí nén Chuyển động quay này làm cho chi tiết không những được di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác mà còn được thay đổi cả trạng thái (tư thế') của chi tiết Trong thực tế, nếu không có bậc tự do này thi nhiều hoạt động không thể ứng dụng Robot được Ví dụ như khi Robot đi vào gắp chi tiết ra thi cánh tay của Robot lại bị vướng bởi vỏ máy, đổ gá, khuôn épũhay đơn giản chỉ vi chi tiết không thể gắp được theo phương hiên tại của bàn kẹp, khi đó bàn kẹp phải quay đi một góc 90° để đưa má kẹp vào và gắp chi tiết ra Hoặc trong quy trình
Hình 4.3 Bậc tự do tịnh tiến theo trục Z
42 sản xuất của chi tiết lại có yêu cầu khi nhả kẹp, chi tiết phải có phương vuông góc so với khi được kẹp
Cũng giống như bậc tự do tịnh tiến ra vào theo trục OX và bậc tự do tịnh tiến lên xuống theo trục OZ, trong bậc tự do quay này cũng sử dụng nguồn đông lực là xy lanh khí nén tác đông hai chiều với piston môt đầu cần Về mặt cấu tạo, xét theo nguyên lý máy thì bậc tự do này là môt cơ cấu bốn khâu toàn khớp thấp (ba khớp bản lề và môt khớp trụ trượt) và là môt biến thể của cơ cấu bốn khâu bản lề Cụ thể: cơ cấu này gồm môt giá “cố định” được gắn cố định với cánh tay của Robot, môt cụm piston- xy lanh khí nén nối với giá bằng các khớp quay trụ, môt bàn kẹp có thể quay 90°, trên bàn kẹp gắn hai má kẹp đồng trục và ngược chiều nhau như hình vẽ
Khớp trụ trượt giữa piston và xy lanh hạn chế bốn bậc tự do (bốn khả năng chuyển động tương đối là các chuyển đông tịnh tiến và chuyển đông quay theo các trục vuông 47 góc với trục của xy lanh) và chỉ để lại hai chuyển đông tương đối là chuyển đông tịnh tiến dọc trục xylanh và chuyển đông quay xung quanh trục của xylanh Nhưng thông thường chuyển đông quay quanh trục xylanh của piston bị khống chế bởi mối lắp ghép giữa piston và thanh truyền Trong cơ cấu này chuyển động quay quanh trục xylanh của piston bị hạn chế bởi mối lắp ghép giữa piston — thanh truyền — và khớp quay nối giữa bàn kẹp và giá cố định Hành trình chuyển đông của piston trong xy lanh theo lý thuyết là cả chiều dài của xy lanh Nhưng trong thực tế để tránh sự va đập giữa piston và nắp xy lanh gây hỏng piston và nắp xy lanh, người ta sử dụng phương pháp hạn chế hành trình chuyển đông tịnh tiến của piston trong xy lanh bằng bán kính quay của trục khuỷu ở bên ngoài Tuy nhiên trong cơ cấu này hành trình của piston không bị bị khống chế bởi bán kính quay của chốt quay trên bàn kẹp (gọi tắt là bán kính quay của bàn kẹp) quanh chốt quay cố định so với giá cố định vì các lý do sau:
+ Thứ nhất: trong phương pháp hạn chế hành trình chuyển đông tịnh tiến của piston trong xy lanh bằng bán kính quay của trục khuỷu ở bên ngoài đòi hỏi trục khuỷu phải quay ít nhất là nửa vòng tròn, thì khi đó hành trình di chuyển của piston bên trong xy lanh sẽ chính bằng chiều dài đường kính quay của trục khuỷu Muốn khống chế hành trình của piston ta chỉ việc chọn bán kính quay của piston nhỏ hơn 1/2 chiều dài xy lanh và bố trí vị trí tương đối giữa trục khuỷu và xy lanh là được Nhưng ở đây hành trình của bàn kẹp lại chỉ có 1/4 vòng tròn nên không thể dùng được phương pháp hạn chế hành trình như dã nói ở trên
43 + Thứ hai: Trong phương pháp hạn chế hành trình piston bên trong xy lanh chỉ phụ thuộc vào bán kính quay của trục khuỷu (bàn kẹp) và vị trí tương đối giữa tâm quay của trụckhuỷu và xy lanh, vì thế nên việc hiệu chỉnh vị trí chính xác của trục khuỷu (bàn kẹp) là không thể Trong khi đó Robot lại yêu cầu là có thể hiệu chỉnh một cách dễ dàng vị trí của bàn kẹp khi lắp ráp để bù vào phần sai số do chế tạo các chi tiết cấu thành cũng như sai số trong quá trình lắp ráp Hoặc đơn giản chỉ là vì chu trình làm việc của Robot đòi hỏi hai vị trí này của bàn kẹp không vuông góc mà tạo với nhau một góc nào đó, mà cũng có thể là hai vị trí cuối cùng của hành trình quay vẫn vuông góc với nhau nhưng vị trí đầu tiên không phải vuông góc với phương ngang mà 48 lại hợp với nhau một góc khác 90° Vì vây thêm một lý do nữa khiến phương pháp hạn chế hành trình bằng bán kính quay của trục khuỷu càng không được ứng dụng ở trong trường hợp này
Chính vì thế mà trong cơ cấu cổ tay này của Robot ta sử dụng cách khống chế hành trình của piston bằng hành trình quay của bàn kẹp thông qua các cữ có thể điều chỉnh được Khi cần điều chỉnh vị trí hay hành trình của bàn kẹp (dẫn tới điều chỉnh vị trí các điểm đầu và điểm cuối cũng như chiều dài hành trình của piston trong xy lanh) ta chỉ cần thay đổi vị trí các cữ hành trình là được
Các khớp trụ quay (khớp bản lề trụ) hạn chế các chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tương đối theo các trục vuông góc với trục của khớp quay, chỉ còn lại một chuyển động quay quanh trục của khớp và một chuyển động dọc trục của khớp Nhưng thông thường chuyển động dọc trục đó được khống chế bởi môi lắp ghép giữa trục quay của khớp và các chi tiết khác nên chỉ còn lại một chuyển động quay quanh trục của khớp quay mà thôi Theo lý thuyết thì hành trình quay của khớp là cả vòng tròn kín Tuy nhiên trong thực tế thì hành trình quay không phải lúc nào cũng là cả vòng tròn kín, mà có thể bị hạn chế bởi kết cấu chung của hệ thống Cụ thể như trong kết cấu cổ tay này thì tất cả các khớp quay đều không quay hết cả vòng tròn kín mà chỉ lắc trong phạm vi một cung nhỏ Khớp có góc quay lớn nhất là khớp quay giữa giá cố định và bàn kẹp; góc quay này bằng 90° và được khống chế bằng hai cữ hành trình có thể điều chỉnh được, bố trí đặt vuông góc với nhau nhằm đảm bảo bàn kẹp quay đúng một góc 900 và cuối mỗi hành trình đó bàn kẹp có được vị trí vuông góc hoặc song song với phương ngang Xét về bản chất thì cổ tay của Robot là một cơ cấu xy lanh - trục khuỷu - thanh truyền, và nó cũng hoạt động dựa trên nguyên tắc hoạt động của cơ cấu xy lanh- trục khuỷu- thanh truyền
Chỉ có một vài sự khác nhau đó là:
44 + Thứ nhất: Trong cơ cấu xy lanh- trục khuỷu- thanh truyền thì nguồn dẫn đông là xy lanh của đông cơ và chỉ dẫn đông một chiều (chiều piston đi xuống, ứng với nhiên liêu cháy giãn nở), còn chiều đi lên được thực hiên do quán tính của bánh đà dẫn động ngược từ tay biên lên trục khuỷu, tới thanh truyền và tới piston Còn trong cơ cấu cổ tay này thì nguồn dẫn động là xy lanh hoạt động hai chiều bằng khí nén (xy 49 lanh tác động hai chiều)
+ Thứ hai: Trong cơ cấu cơ cấu xy lanh- trục khuỷu- thanh truyền thì trục khuỷu có quỹ đạo hành trình là một vòng tròn kín, còn trong kết cấu của cổ tay thì bàn kẹp (bàn tay) đóng vai trò của trục khuỷu lại chỉ quay trong phạm vi quỹ đạo 1/4 vòng tròn (90°)
Vì cuối mỗi hành trình quay bàn kẹp đều bị giữ lại bởi các cữ bố trí trên giá cố định Các cữ hành trình này được điều chỉnh một cách chính xác để cuối mỗi hành trình thì bàn tay kẹp của Robot có được vị trí song song với phương ngang hoặc vuông góc với phương ngang Do khí nén được nên khi bàn kẹp bị chặn lại bởi giá cố định thì áp suất khí nén bên trong xy lanh sẽ tăng dần cho tới khi bằng áp suất của nguồn cung cấp thì dừng lại và hê thống đạt được sự ổn định Thời gian từ lúc bàn kẹp đạt được vị trí mong muốn tới khi hê thống đạt được sự ổn định hay thời gian từ lúc bắt đầu cấp khí nén vào xy lanh tới khi piston chuyển động với tốc độ ổn định được gọi là thời gian quá độ của hê thống Và vì môi chất là chất khí, có tính linh động cao nên thời gian quá độ của hê thống là rất nhỏ
+ Thứ ba: Về mặt nguyên lý kết cấu thì trong cơ cấu xy lanh- trục khuỷu- thanh truyền, xy lanh được gắn cố định với giá và piston được liên kết với thanh truyền bằng khớp quay bản lề Còn trong cơ cấu cổ tay của Robot thì ngược lại: xy lanh không được gắn cứng với giá mà được liên kết với giá bằng khớp quay bản lề và piston được gắn cứng với thanh truyền Chính sự khác biêt về mặt nguyên lý kết cấu này đã làm cho việc gia công chế tạo piston dễ dàng hơn và tiết kiệm hơn rất nhiều so với viêc gia công cơ cấu xy lanh- trục khuỷu- thanh truyền
Hình 4.4 Bậc tự do quay quanh X và tay kẹp
Trong đồ án này, em đã được nghiên cứu và thiết kế một hệ thống cơ khí cho một robot thiết kế mới được phát triển từ Robot Harmo, nhằm mục đích ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại Kết quả đạt được sau khi đã hoàn thành đồ án như sau:
- Tìm hiểu về Robot Harmo 4 bậc tự do (3 tịnh tiến, 1 quay), phân tích sơ đồ động học, thiết lập bảng DH từ đó tính ra phương trình động học của Robot Harmo
- Dựa vào Robot Harmo, đưa ra phương án thiết kế cho Robot mới, đồng thời phân tích sơ đồ động học và tính ra phương trình động học
- Tính toán, lựa chọn các nguồn lực dẫn động chính cho các bậc tự do: Động cơ, xylanh khí nén, piston
- Xây dựng bản vẽ A0, hình vẽ 3D cho robot thiết kế mới trên phần mềm Solidwork Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí cho Robot Harmo đã đạt được mục tiêu đề ra Robot thiết kế mới với hệ thống cơ khí này có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất tự động hoá đến các ứng dụng kỹ thuật cao hoặc phục vụ cho việc giảng dạy Để đạt được kết quả trên, một lần nữa em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Phạm Văn Hùng đã giúp đỡ, hỗ trợ em hoàn thành được đồ án này
Sinh viên Ngô Văn An
