Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điềukhiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theochương trình số cũng như
TỔNG QUAN VỀ ROBOTS
Lịch sử hình thành và phát triển của robot
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng CH Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot) Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của Tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số.
Một trong những Robot Công nghiệp đầu tiên được chế tạo là Robot Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate (1900) được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh (1967), Thụy Điển và Nhật (1968) theo bản quyền của Mỹ, CHLB Đức (1971), Pháp (1972), Ý (1973) . Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG.
Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia…
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như : làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” được cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm lẫn.
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…
Hình 1.2 Robot hàn trong ngành sản xuất oto
Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với Robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao Ở đây các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình.
Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội…
Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả năng của con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT HÀN ĐIỂM
Phân tích mục đích ứng dụng robot trong hàn
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào khả năng của robot như : làm việc không biết mệt mỏi, làm việc được ở các môi trường mà con người không thể làm được…
Hàn điểm:Hàn điểm tiếp xúc là một phương pháp liên kết vật liệu, trong đó lượng nhiệt dùng cho mối hàn được sinh ra do điện trở của một dòng điện khi nó truyền qua phần vật liệu được hàn.
Hình 2.1: Phương pháp hàn điểm
Tạo được liên kết kín
Không cần thêm kim loại phụ trợ,khí bảo vệ
Các thiết bị có khả năng tự động hóa cao
Không yêu cầu cao đối với người vận hành
Có thể hàn các kim loại khác loại
Giá thành đầu tư cho một thiết bị hàn điểm và các đồ gá lắp đi kèm lớn.
Nhân viên sửa chữa bảo dưỡng thiết bị hàn và điều khiển yêu cầu phải có trình độ.
Đối với một số vật liệu thì có yêu cầu đặc biệt về chuẩn bị bề mặt vật hàn.
Không hàn được các chi tiết có chiều dày lớn
Phân tích yêu cầu kĩ thuật
Số bậc tự do cần thiết:
- Để đảm bảo robot có khả năng đưa đầu mài tới mọi vị trí trong không gian
Thông số kỹ thuật của sản phẩm:
Yêu cầu vị trí: Robot thao tác trong không gian đúng với quỹ đạo thao tác đặt ra,tới dúng điểm cần hàn
Yêu cầu về hướng: Hướng của đầu mũi hàn phải vuông góc với mặt phẳng chứa điểm hàn
Yêu cầu về tải trọng: Do phương pháp hàn điểm không yêu cầu lớn về lực,chỉ yêu cầu về độ linh hoạt và chính xác cao.
Một số loại không gian làm việc của robot:
Hình 2.2.2 Không gian thao tác Decac
Hình 2.4: Không gian thao tác hình trụ và hình cầu
Các phương án thiết kế
Từ những phân tích yêu cầu kĩ thuật trên thì nhóm em đưa ra 3 mô hình robot ứng với 3 không gian làm việc khác nhau.Với mô hình (2.3.1) là robots 3 bậc tự do TTT,với kết cấu đơn giản nhưng về khả năng linh hoạt không cao. Tương tự với mô hình (2.3.3) là robots 4 bậc tự do RRTR,với kết cấu đơn giản nhưng về khả năng linh hoạt không cao chỉ hàn được chi tiết có mặt thẳng đứng.Với mô hình (2.3.2) thì có 5 bậc tự do,khả năng linh hoạt cao có thể hàn các điểm ở các mặt khác nhau nhưng do kết cấu 5 bậc tự do khó khăn trong việc tính toán.Dựa theo hình dạng hình học và vị trí của đối tượng nên nhóm em chọn mô hình (2.3.3) robot 4 bậc tự do.
Robots được đặt trong một dây truyền sản xuất,ở công đoạn này robots nhận nhiệm vụ hàn kết nối tại các điểm khác nhau.Trước đó chi tiết đã qua các công đoạn khác nhau cắt phôi,uốn gấp…Ở đâu chi tiết được định vị và kẹp chặt trên băng truyền,và khi tới vị trí hàn thì băng truyền dừng lại và robots thực hiện hàn.Chi tiết đặt trên băng tải cao 0.385 (m) và cách robots 0.8(m).
BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC
Bài toán động học thuận
Với bài toán động học thuận thì các biến khớp đã biết, yêu cầu tìm vị trí của khâu thao tác.
Trình tự giải bài toán:
Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học:
Từ hệ tọa độ Denavit - Hartenberg và các tham số động học ta thiết lập được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất biểu diễn trạng thái khâu cuối E:
Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác:
Tọa độ của khâu thao tác:
Hướng của khâu thao tác: ta sử dụng các góc Cardan:
Ta thiết lập được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất khâu thao tác trong hệ tọa độ thao tác:
Phương trình động học robot:
Từ phương trình động học robot xác định được vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối:
Vị trí điểm của điểm tác động cuối:
Vận tốc và vận tốc góc điểm tác động cuối:
Ta có: Áp dụng mô hình:
Tính các ma trận DH:
1 = [ cos(θ sin(θ 0 0 1 1 ) ) −sin(θ cos(θ 0 0 1 1 ) ) 0 0 1 0 0.7 cos(θ 0 7 sin(θ 0 88 1 1 1 ) ) ]
1A 2 =[ cos sin(θ (θ 2 2 ) −cos ) sin (θ (θ 2 ) 2 ) 0 0 0 6 cos(θ 0 6 sin(θ 2 2 ))
R 4=[ cos(θ sin (θ 12 0 12 −θ −θ 4 4 ) −cos ) sin(θ (θ 12 0 12 −θ −θ 4 4 ) ) − 0 0 1 ] rE=[ 0 6 cos(θ 12 )+0 7 cos(θ 1 )
0 73−d 3 ] vE=˙r E=[ ˙ x E ˙ y E ˙ z E ] = [ − 0 6 cos 0 6 sin ( (θ θ 12 12 )+ 0 )− 0 7 cos 0 7 sin (θ (θ 1 ) 1 ) − 0 6 cos 0 6 sin 0 ( (θ θ 12 12 ) ) − 0 0 1 ] [ θ θ d ˙ ˙ ˙ 1 2 3 ] aE= ˙v E=[ x E ¨ y E ¨ ¨ z E ] = [ −−0 6 sin(θ 0 6 cos ( 12 θ 12 ).( ˙) θ ( ˙ 1 θ + ˙ 1 θ + ˙ 2 θ )−0 7 sin( 2 )− 0 7 cos θ 1 (θ ).θ 1 ˙ 1 ) θ ˙ 1 −−0 6 sin(θ 0 6 cos (θ 12 12 ).( ˙) ( ˙ θ θ 1 1 + ˙+ ˙ θ θ 2 2 )) 00
0A 4=[ cos(θ 12 −θ 4 ) sin (θ 12 −θ 4 ) 0 0 6 cos (θ 12 )+0 7 cos(θ 1 ) sin(θ 12 −θ 4 ) −cos(θ 12 −θ 4 ) 0 0 6 sin(θ 12 )+0 7 sin(θ 1 )
Giả sử các biến khớp thay đổi theo thời gian: q= [ θ θ d θ 1 2 3 4 ] = [ − 50 π 50 π 0 2 20 π t 2 t + 2 t + 6 π 6 π ]
Hình 3.1: Đồ thị biến khớp
Vận tốc,gia tốc theo phương x: t
Hình 3.2: Đồ thì vận tốc gia tốc theo phương x Vận tốc,gia tốc theo phương y: t
Hình 3.3: Đồ thì vận tốc gai tốc theo phương y Vận tốc,gia tốc theo phương z: t
Hình 3.4: Đồ thì vận tốc gai tốc theo phương zVận tốc góc:
Không gian làm việc của robots
Bài toán động học ngược
Dễ dàng sử dụng khi tọa độ điểm tác động cuối không phục thuộc vào thời gian.
Với bài toán động học ngược thì vị trí của khâu thao tác xem như đã biết, yêu cầu tìm giá trị của các biến khớp.
Trình tự giải bài toán:
- Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học (khảo sát giống bài toán động học thuận).
- Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ khâu thao tác (khảo sát giống bài toán động học thuận).
- Phương trình động học robot (khảo sát giống bài toán động học thuận).Phương trình động học robot:
Từ phương trình động học robot xác định được vị trí và hướng của từng biến khớp:
Vị trí của biến khớp:
Hệ phương trình đại số, độc lập tuyến tính:
Từ hệ phương trình trên xác định được giá trị các biến khớp: Áp dụng mô hình:
Từ bài toán thuận ta có: rE=[ 0 6 cos (θ 12 )+0 7 cos(θ 1 )
{ cos sin( (θ θ 2 2 )= )= √ x E 2 1−cos + 0 84 y 2 E −0 85 2 ( θ 2 ) => θ 2 =atan 2(sin(θ 2 ) cos(θ 2)) (1)
{ cos(θ sin(θ 1 1 )= )= 0 7 0 7 y x E E +0 6 + 0 6 ( ( x y x x E E 2 2 cos cos(θ E E + + y (θ y 2 2 E E 2 2 )− )+y x E E sin sin(θ (θ 2 2 ) ) ) ) =>θ 1=atan 2(sin(θ 1 ) cos(θ 1 )) (2)
[ cos sin ( (θ θ 12 0 12 −θ − θ 4 4 ) ) −cos sin (θ (θ 12 0 12 −θ −θ 4 ) 4 ) − 0 0 1 ] θ 1 +θ 2 −θ 4=ϕ=atan 2( R 12
Cho tọa độ điểm cuối: r E ={ x E =0 5+0 15 sin(2∗t) y E =0 3+0 15 cos(2∗t) z E =0 2.t
Hình3.8: Quỹ đạo điểm cuối t
Bài toán động lực học
Thiết lập phương trình vi phân chuyển động áp dụng phương trình Lagrange
Phương trình vi phân chuyển động của robot có dạng:
M là ma trận khối lượng suy rộng.
G là ma trận đặc trưng cho các lực có thế tác dụng vào robot.
Q là ma trận đặc trưng cho các ngoại lực không thế tác dụng vào robot.
U là ma trận các lực và moment điều khiển.
-Xây dựng các thông số động lực học
+Ma trận tenxo quán tính:
+Ma trận Jacobi tịnh tiến :
+Tính ma tran khối lượng
Ma trận khối lượng của cả hệ:
+Tính thế năng và lực thế g 0 =[0 0 −g]
+Tính lực suy rộng của các lực không thế
Từ những tính toán trên ta tính phương trình vi phân chuyển động:
BÀI TOÁN TĨNH HỌC
Bài toán tĩnh học
Phương pháp khảo sát theo điều kiện cân bằng:
Các ma trận đối xứng lệch:
Có thể sử dụng các ma trận quay để biểu diễn các vector định vị điểm tác dụng lực trong các hệ quy chiếu khác nhau Các vecto biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở và được xác định:
Hệ phương trình cân bằng lực trong hệ tọa độ khâu i:
Trong hệ tọa độ cơ sở: Áp dụng vào mô hình:
Lực và momen của robots tác dụng lên đối tượng lần lượt là F và M
Coi thanh là đồng chất tiết diện ngang không đáng kể.
0 r 1 c1 = 0 R 1 1 r c1 1 =[ −a −a 1 2 1 2 0 cθ sθ 1 1 ] 0 ~ r 3 c3 = [ a sθ 1 0 0 2 1 −a 0 0 1 2 cθ 1 −a a 1 1 2 cθ 2 0 sθ 1 1 ] Áp dụng hệ phương trình đệ quy để tính toán lực và momen trong các khớp
Khối lượng khâu 4 m4 1.16(Kg) Độ dài khâu 0 l0 0.88(m) Độ dài khâu 1 l1 0.7(m) Độ dài khâu 2 l2 0.6(m) Độ dài khâu 3 l3 0.7(m) Độ dài khâu 4 l4 0.15(m)
Lực F[Fx ,Fy,Fz] [2,0,0] (N) Momen
Thiết kế quỹ dao chuyển động robots
Sau khi có không gian làm việc của robots ta xây dựng quỹ đạo chuyển động của robot theo không gian thao tác
Vì robot là hàn điểm nên quỹ đạo của robot được thiết kế theo đường thẳng điểm- điểm
Thiết kế quỹ đạo của điểm tác động cuối thfeo đường thẳng đi từ A tới B trong thời gian t (s) :e
Ta có phương trình đường thẳng từ A(x y z ) tới B(x y z ) là:0 0 0 e e e x − x 0 x e −x 0
Giả sử quy luật chuyển động của robots là hàm bậc 3 x=x(t) nên: x(t)=a 0+a 1 t a+ 2 t 2 +a 3 t 3 (¿)
Từ phương trình (*) và (* *) ta được:
- Quỹ đạo thứ nhất robot đi từ điểm P1(0.8 –0.114 0.5) tới P2 (0.8 -0.114 0.465) trong 0.5(s) z1(t)=a 0+a 1 t+a 2 t 2 +a 3 t 3
-Quỹ đạo thứ hai robot đi từ điểm P2(0.8 -0.114 0.465) tới P3 (0.8 -0.114 0.406) trong 0.5(s)-1s z2(t)=a 0 +a 1 t+a 2 t 2 +a 3 t
- Quỹ đạo thứ ba robot đi từ điểm P3 (0.8 -0.114 0.406) tới P4(0.8 0.114 0.406) từ 1(s)-1.5(s) y1(t)=a 0+a 1 t+a 2 t 2 +a 3 t 3
- Quỹ đạo thứ tư robot đi từ điểm P4 (0.8 0.114 0.406) tới P5(0.8 0.114 0.465) từ 1.5(s)-2(s) z3(t)=a 0+a 1 t+a 2 t 2 +a 3 t 3
- Quỹ đạo thứ tư robot đi từ điểm P5 (0.8 0.114 0.465) tới P6(0.8 0.114 0.5) từ 2(s)-2.5(s) z4(t)=a 0 +a 1 t+a 2 t 2 +a 3 t 3
Tương tự các điểm khác ta được quỹ đạo :
Hình 4.11: Quỹ đạo thao tác của Robots
THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG ROBOTS
Chọn động cơ
5.1.1 Chọn động cơ cho khâu 1
Mmax#5,2(Nm) a) Số vòng quay của khâu 1
Chọn số vòng quay của khâu 1: n10(v/p) b) Số vòng quay của động cơ c) Công suất làm việc d) Công suất trên trục động cơ
Như vậy cần phải chọn động cơ có:
5.1.2 Chọn động cơ cho khâu 2
Mmaxp.5600 (Nm) e) Số vòng quay của khâu 2
Chọn số vòng quay của khâu 1: n20(v/p) f) Số vòng quay của động cơ
Số vòng quay của động cơ: ndc20.u 0.40(v/p)br g) Công suất làm việc
1000 60 =0 22(kw) h) Công suất trên trục động cơ
Như vậy cần phải chọn động cơ có:
5.1.3 Chọn động cơ cho khâu 3
Khâu 3 là khâu tịnh tiến,để đạt độ chính xác cao ta chọn bộ truyền vitme đai ốc bi.
Tính toán , thiết kế bộ truyền vít me - đai ốc cho khâu 3 Từ đó tiến hành chọn động cơ.
5.1.3.1 Tính toán, thiết kế bộ truyền vít me - đai ốc: a Chọn vật liệu:
Vít: nhiệt luyện từ thép tôi 40CrMn Đai ốc: để giảm ma sát và mòn ren sử dụng đai ốc được chế tạo từ đồng thanh nhôm - sắt. b Chọn kiểu lắp
-Chọn kiểu lắp trục vít-ổ bi cho 2 khớp tịnh tiến: Chọn kiểu lắp đặt ổ đỡ: (fixed-supported) 1 đầu lắp chặt -1 đầu tùy chỉnh : fixed- supported Vậy, ta có: N=2 và m,2
Trong đó: N,m phụ thuộc vào kiểu lắp đặt c Tính chọn bước vit me:
Chọn bước vít: l≥V_max/N_max 00/600=3,33 mm
Suy ra chọn l = 5 mm d Chiều dài trục vít me
Chiều dài trục vít-me:
L1 = tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài ổ bi = 620 (mm) e Đường kính trung bình của ren f Chọn kiểu bi:
Nếu độ cứng cần được ưu tiên nhiều nhất, độ hao phí chuyển động không quá quan trọng, theo đó các thông số kĩ thuật sẽ được chọn là:
• Ổ bi loại lưu chuyển bi bên ngoài.
• Số dòng lưu chuyển bi: Bx2.
Từ độ cứng yêu cầu và các yếu tố:tải trọng,đường kính,chiều dài,kích cỡ ổ bi…, ta chọn được series trong catalog của hãng PMI phù hợp cho cả khâu 1 và khâu 2 như sau:
Loại trục vít me : 16-5B2- FSWC Đường kính trục vít: 16 mm Đường kính lõi ren : 12 mm
4.1.3.2 Tính chọn động cơ cho khâu 3
- Momen và lực lớn nhất: Fmax= 36.946
Với đường kính trục vít được chọn là 16mm, ta có:
- Tính tốc độ quay động cơ
Dựa vào momen tĩnh của động cơ và tốc độ của motor, ta chọn loại động cơ: AM1150A có momen khởi động là 1.7Nm và tốc độ quay là 3000 v/ph
5.1.4 Chọn động cơ cho khâu 4
Vì khâu 4 có Fmax,36 < Fmax khâu 3, ta chọn động cơ giống khâu 3.
Thiết kế bộ truyền bánh răng cho khâu 1
Công suất trên trục cấp truyền động : P ≥ 0,83 KW
Công suất trên trục 2: P = P/0,99= 0,909(KW)2
Công suất trên trục 1: P1=P/(0,99.0,95)=0,957(KW)
Tốc độ quay trên trục động cơ là n = 120v/ph
Tốc độ quay của trục 1 bộ truyền : n = n 0v/ph1
Tốc độ quay của trục 2 bộ truyền : n = n /u = 120/4 = 30 v/ph2 1
Trên trục động cơ : T = 9,55.10 0,9/120 = 71631(N.mm)dc 6
Chọn hộp giảm tốc phù hợp:
P≥ 0,909 KW;nra 0v/ph;Tmin > 71631 N.mm
Chọn hộp giảm tốc
Do không có yêu cầu gì đặc biệt nên ta chọn 2 bánh răng có vật liệu thép nhóm I, có HB 350 (chọn vật liệu làm bánh răng HB00), và được thường hóa hoặc tôi cải thiện:
5.3.2 Xác định ứng suất cho phép
Theo Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một (Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) ta có:
(do độ rắn mặt răng HB 350) số chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc
57 số chu kì thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về uốn
Số chu kì thay đổi ứng suất tương đương
(vòng/phút) thời gan làm việc của bánh răng (giả sử làm việc trong 3000 giờ)
; Ứng suất tiếp xúc cho phép: Ứng suất uốn cho phép:
(MPa) khi đặt tải 2 phía
5.3.3 Xác định các thông số cơ bản của bộ truyền bánh răng
Hộp giảm tốc bánh răng trụ thăng thẳng một cấp:
Hình 5.1 Đường kính vòng lăn bánh răng nhỏ:
(cặp bánh răng thẳng vật liệu thép-thép, ) -Theo bảng 6.5 sách [TK1]
- momen xoắn trên trục bánh chủ động, Nmm
Theo bảng 6.6 sách [TK1] chọn
Theo bảng 6.7 sách [TK1] có
5.3.4 Xác định các thông số ăn khớp
Môdun của cặp bánh răng:
Theo bảng 6.8 sách [TK1] => chọn m=1,75
Số răng bánh răng nhỏ: Lấy răng
Số răng bánh răng lớn: răng
Theo tiêu chuẩn chế tạo ở các nhà máy chuyên môn , ở đây khoản cách trục nằm trong khoảng sai lệch cho phép % nên bánh răng không cần dịch chỉnh.
5.3.5.Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc Ứng suất tiếp xúc xuất hiện trên mặt răng của bộ truyền phải thỏa mãn điều kiện sau:
- hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp Theo bảng 6.5 sách [TK1] được (MPa)
- hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc Ở đây: =0 – góc nghiêng của răng trên hình trụ cơ sở
- hệ số kể đến sự trùng khớp của răng khi Ở đây:
- hệ số tải khi tính về tiếp xúc
Với là hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng, tra bảng 6.7 sách [TK1] ta được là hệ số kể đến sự phân bố tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn khớp, với bánh răng thẳng là hệ số kể đến tải trọng xuất hiện trong vùng ăn khớp
Với m/s, theo bảng 6.13 sách [TK1] ta có cặp bánh răng có cấp chính xác 9; - hệ số kể đến sự ảnh hưởng của các sai số ăn khớp, tra bảng 6.15 sách [TK1] được ; - hệ số kể đến ảnh hưởng của sai lệch các bước răng banh 1 và bánh 2, tra bảng 6.16 sách [TK1] ta được
Vì >[ ] khoảng 1,9% nên có thể giữ nguyên kết quả tính toán và chỉ cần thay đổi chiều rộng vành răng
5.3.6 Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn Để đảm bảo độ bền uốn cho răng, ứng suất uốn sinh ra tại chân răng không được vượt quá một giá trị cho phép:
- momen xoắn trên bánh chủ động;
- đường kính vòng lăn bánh chủ động;
- hệ số kể đến sự trùng khớp của răng, với là hệ số trùng khớp ngang
- hệ số kể đến độ nghiêng của răng
- hệ số dạng răng của bánh 1 và 2 Theo bảng 6.18 sách [TK1] ta được
- hệ số tải trọng khi tính về uốn:
Với: là hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng khi tính về uốn, theo bảng 6.7 sách [TK1] có là hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn khớp khi tính về uốn, với bánh răng thẳng
- là hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp khi tính về uốn: trong đó: tra bảng 6.15, 6.16 sách [TK1] ta được răng thẳng, có vát đầu răng; ;
=> thỏa mãn điều kiện bền uốn.
Ta có các thông số cơ bản của bộ truyền bánh răng sau khi được kiểm nghiệm:
Thông số Công thức Kết quả (mm) Đường kính chia 33,3
Khoảng cách trục 83,15 Độ dày răng 35
Tính toán thiết kế trục bánh răng lớn
Chọn vật liệu chế tạo trục là thép 45 có , ứng suất xoắn cho phép (MPa).
5.4.2 Xác định tải trọng tác dụng lên trục
Tải trọng chủ yếu tác dụng lên trục là momen xoắn và các lực tác dụng khi ăn khớp trong bộ truyền bánh răng Trọng lượng bản thân trục và trọng lượng các chi tiết lắp trên trục chỉ được tính đến ở các cơ cấu tải nặng (ở đây tải vừa và nhẹ nên có thể bỏ qua), còn lực ma sát trong các ổ được bỏ qua.
Với bộ truyền bánh răng trụ ta có:
Trong đó: - momen xoắn trên trục bánh 1, Nmm; - đường kính vòng lăn bánh 1, mm ; - góc ăn khớp; - góc nghiêng của răng
Với bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng nên khi đó
5.4.3 Xác định sơ bộ đường kính trục Đường kính trục được xác định chỉ bằng momen xoắn theo công thức:
(mm) Trong đó: T – momen xoắn, Nmm;
- ứng suất xoắn cho phép, MPa
Với (trục ra của hộp giảm tốc)
5.4.4 Xác định khoảng cách giữa các khối đỡ và điểm đặt lực
Theo bảng 10.3 sách [TK1] ta có trị số của các khoảng cách lần lượt là:
Ta có sơ đồ trục đối với hộp giảm tốc 1 cấp như sau:
Theo bảng 10.2 sách [TK1] ta có với d5 =>
Từ hình vẽ suy ra:
Khoảng cách 2 gối đỡ: (mm)
5.4.5 Tính toán đường kính các đoạn trục
66 trong đó: - ứng suất cho phép của thép chế tạo trục
Tra bảng 10.5 sách [TK1] ta được
Từ yêu cầu về độ bền, tính lắp ghép và tính công nghệ nên ta chọn đường kính các đoạn trục như sau (mm):
Tính toán thiết kế trục bánh răng nhỏ
Chọn vật liệu chế tạo trục là thép 45 có , ứng suất xoắn cho phép
5.5.2 Tính sơ bộ đường kính trục
Tải trọng tác dụng lên trục: (Tính toán trên phần trục bánh răng lớn) Đường kính trục được xác định chỉ bằng momen xoắn theo công thức:
(mm) Trong đó: T – momen xoắn, Nmm;
- ứng suất xoắn cho phép, MPa
Vì đường kính trục mà đường kính đáy răng (mm) nên ở đây ta chế tạo bánh răng liền trục.
5.5.3 Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực
Theo bảng 10.3 sách [TK1] ta có trị số của các khoảng cách lần lượt là:
. Khoảng cách giữa 2 ổ lăn mm (Tính toán như trên trục bánh răng lớn)
Sơ đồ trục bánh răng nhỏ
5.5.4 Xác định đường kính các đoạn trục
Lực tác dụng lên trục
Trong đó: - ứng suất cho phép của thép chế tạo trục
Tra bảng 10.5 sách [TK1] ta được c
Từ yêu cầu về độ bền, tính lắp ghép và tính công nghệ nên ta chọn đường kính trục d%mm
5.5.5 Tính kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi
Kết cấu trục vừa thiết kế đảm bảo được độ bền mỏi nếu hệ số an toàn tại các tiết diện nguy hiểm thỏa mãn điều kiện:
[s] : hệ số an toàn cho phép, thông thường [s]=1,5 2,5 và : hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp và hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất tiếp tại các tiết diện j:
Với: và - giới hạn mỏi uốn và xoắn ứng với chu kì đối xứng
(đối với thép cacbon, thép 45 )
- biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện j
+) Đối với trục quay, ứng suất uốn thay đổi theo chu kì đối xứng:
(với trục có 1 rãnh then)
(trục tiết diện tròn) +) Đối với trục quay 2 chiều, ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì đối xứng:
(với trục có 1 rãnh then)
(với trục tiết diện tròn)
+) Xác định hệ số và
: hệ số tập trung ứng suất do trang thái bề mặt, phụ thuộc phương pháp gia công và độ nhẵn bề mặt.
: hệ số tang bền bề mặt trục, phụ thuộc vào phương pháp tăng bền bề mặt, cơ tính vật liệu.
Tra bảng 10.8 và 10.9 sách [TK1] với các trục được gia công trên máy tiện và không dung các phương pháp tăng bền bề mặt nên ta được ,
Chọn kiểu lắp ghép: các ổ lăn được lắp trên trục theo kiểu k6, bánh răng lắp trên trục theo kiểu k6 kết hợp với lắp then bằng.
Chọn then trên 2 đoạn trục có 30
