Đồ Án thiết kế hệ thống cơ khí cho hệ thống cơ Điện tử thiết kế hệ thống dẫn Động cho robot 4 bậc tự do có vecto bàn tay kẹp tiệm cận Đối tượng theo hướng x 0

TRƯỜNG CƠ KHÍĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot 4 bậc tự do có Vecto bàn tay kẹp tiệm cận đối tượng theo hướng −X0 Giảng viên hướ

TRƯỜNG CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

CHO HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot 4 bậc tự do có Vecto

bàn tay kẹp tiệm cận đối tượng theo hướng −X0

Giảng viên hướng dẫn: GS TS Phạm Văn Hùng

Họ và tên sinh viên:

Chữ ký của GVHD

Một số thông số cơ bản:

+ Số bậc tự do: 4 (3 tịnh tiến, 1 quay)

+ Kích thước cơ bản và hành trình chuyển động:

 Khâu 1 tịnh tiến theo phương Y:

- Chiều cao thân Robot: 1450 mm

- Chiêu dài phương Y: 1850 mm

- Giới hạn chuyển động trục Y: 1600 mm

 Khâu 2 tịnh tiến theo phương X:

- Chiều dài phương X: 1200 mm

- Giới hạn chuyển động trục X: 500 mm

 Khâu 3 tinh tiến theo phương Z:

- Chiều dài phương Z: 1050 mm

- Giới hạn hạn chuyển động trục Z: 600 mm

 Khâu 4 xoay theo phương Y (vecto bàn kẹp hướng theo phương X)

+ Khả năng tải của Robot: 2 kg

+ Khối lượng dịch chuyển lớn nhất: = 17 kg, = 12 kg, = 7 kg

+ Vận tốc chuyển động theo: = m/ph, = m/ph, = m/ph

Robot Harmo UE700SW-2R.

CHƯƠNG I : NGHIÊN CỨU ROBOT HARMO UE700SW-2R

STT Tính năng kĩ thuật Robot HARMO Robot Thiết kế mới

Giới hạn chuyển động theo phương Y 1600mm 1600mm

Giới hạn chuyển động theo phương X 500mm 500mm

Giới hạn chuyển động theo phương Z 600mm 600mm

7 Chiều quay quanh trục Y

Hình 1.1 Sơ đồ động học Robot Harmo.

1.2. Thiết lập bảng thông số D-H và phương trình động học.

1.2.1 Xác định bộ thông số D-H

Bộ thông số D-H bao gồm các thông số cơ bản giữa hai khâu liên tiếp nhau Cụ thểlà:

+ : Độ dài của đường vuông góc giữa hai trục khớp động liền kề

+ : Góc lệch giữa hai trục của hai khớp động liền kề, là góc quay quanh trục sao cho chuyển đến theo quy tắc bàn tay phải

+ : Khoảng dịch chuyển tịnh tiến giữa hai đường vuông góc chung của hai trục+ : Góc giữa hai đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục để trục chuyển đến trục

Trong bộ thông số trên có một thông số là đặc trưng và cũng là thông số thể hiệnchuyển động tương đối giữa hai khâu (thể hiện chuyển động của khớp) Thông số đóđược là biến khớp Biến khớp sẽ là với khớp động là khớp quay, và là nếu khớpđộng là khớp tịnh tiến

Trong robot Harmo thì các thông số xác định như sau:

+ : là khoảng cách giữa trục khớp động 1 và khớp động 2

+ : là khoảng cách giữa trục khớp động 2 và khớp động 3

+ : là khoảng cách giữa trục khớp động 3 và khớp động 4

+ : là khoảng cách giữa tâm quay và tay kẹp

+ h: là khoảng cách giữa gốc tọa độ O và trục khớp động 1

Ban đầu dịch chuyển dọc theo trục Z một khoảng h, quay theo trục X một góc -90

o, sau đó các trục khớp động 1, 2, 3, 4 lần lượt vuông góc với nhau nên ta có:

Các thông số góc của robot:

 = - , = - , = , = 0

 = - , = , =

Các khớp động 1, 2, 3 đều là các khớp tịnh tiến nên , , đều khác 0

Trong đó , , , là các biến khớp Từ các phần tích trên ta lập được bảng thông sốD-H của Robot Harmo như sau:

1.2.2 Thiết lập các mô hình biến đổi và các ma trận biến đổi.

Trên cơ sở đã được xây dựng được các hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếp nhau

và bộ thông số D-H, có thể thiết lập mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ liên tiếp nhau theocác bước sau:

Phương trình động học cơ bản của robot được thành lập dựa trên cơ sở của các ma trận

đã tính ở bước trên Ma trận là tích của các ma trận và là ma trận mô tả vị trí vàhướng của tọa độ gắn liền với khâu thứ i so với hệ tọa độ cố định

Khi ấy ta có phương trình động học cơ bản của robot harmo là:

1.3 Bậc tự do tịnh tiến các trục Robot Harmo UE700SW-2R

1.3.1 Bậc tự do tịnh tiến theo trục Oy:

Chuyển động tịnh tiến dọc trục Y có nhiệm vụ đưa toàn bộ tay máy cùng dichuyển Bậc tự do này được dẫn động bằng động cơ Mitsubishi (GM-HFB) 3 pha, công suất P = 0.2KW, ở tần số 50Hz và có 4 đôi cực, tốc độ n = 1500 vòng/phútthường điều khiển bằng biến tần lắp qua hộp giảm tốc với tỷ số truyền 1:10, tốc ra tải

là 150 vòng/phút (hình 1.4)

Hình 1.2 Sơ đồ mô phỏng theo trục Y.

Cơ cấu chuyển động:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý trục Y

 Cơ cấu dẫn truyền cơ khí: Thanh răng, bánh răng có tác dụng truyền chuyểnđộng tịnh tiến Trong đó, thanh răng có thông số 1860x20x20, bánh răng vớithông số Z = 30, mô đun m = 2

 Hệ thống dẫn hướng: Thanh trượt THK SR25W (Hình 1.7)

 Encoder quay tương đối OMRON E6B2-CWZ6C 100 xung (Hình 1.5)

 Hai cảm biến vị trí Fotek PS-05N-24V (Hình 1.6) loại NPN, CB3 ở vị trí gốc

và CB4 là cảm biến ở vị trí ngoài cùng

Hình 1.4 Động cơ

Hình 1.5 Encoder tương đối

Hình 1.6 Cảm biến Fotek PS-05N-24V

Hình 1.7 Thanh trượt THK SR25W

Bộ Inventer 3G3MV-A2007 dùng để điều khiển động cơ quay ngược, thuận, tốc độ (lưuý: để đảo chiều phải sử dụng phanh điện tử) (Hình 1.8)

Hình 1.8 Bộ Inventer 3G3MV-A2007 Các đầu vào đa chức năng được dùng

để làm tín hiệu điều khiển (Hình 1.9):

 S1: Tín hiệu điều khiển động cơ quayngược (Revert)

 S2: Tín hiệu điều khiển động cơ quay thuận (Forward).

 S7: Tín hiệu điều khiển động cơ quay tốc độ chậm (Slow speed)

 Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MA (thường mở)

 Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MB (thường đóng)

 Đầu ra chung tiếp điểm đa chức năng MC (chung cho MA và MB)

 Phanh động cơ (Brake) sử dụng điện áp 220 VAC được điều khiển thông qua 1 rơ-le

24 VDC được nối vào đầu ra tiếp điểm đa chức năng Khi không có điện áp, phanhđộng cơ ở trạng thái phanh; khi cơ điện áp, phanh động cơ ở trạng thái nhả phanh

Hình 1.10 Sơ đồ mô phỏng theo trục X

Cơ cấu chuyển động:

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý theo trục X

 Nguồn động lực: Chuyển động khứ hồi nhờ xi lanh khí nén Airtac

MAL16-500, trục piston phi 16, khoảng chạy của piston 500 (Hình 1.12)

hướng: Các khớp tịnh tiến được dẫn hướng nhờ cáccon lăn hình trụ phi 20 gắn

cố định trên trục X

Trên bậc tự do trục X sử dụng ba khớp tịnh tiến:

 Nguồn khí nén đi qua bộ điều áp được đưa tới van đảo chiều 5/2 với một đầuđiều khiển bằng điện tử

 Một đầu điều khiểu bằng lò xo của Van Airtac 4V210-08, 5 cửa 2 vị trí, điện

áp hoạt động 220V AC, áp suất hoạt động 0.15-0.8 MPa, điều chỉnh thông

qua van tiết lưu (loại 1 đầu gen M13) trước khi đi vào xylanh trục X (Hình1.13)

thanh dẫn hướng dọc trục lên xuống Thanh giữa được nối với thanh trên bằngmột thanh dẫn hướng (Hình 1.14-1.15).

Nguồn động lực:

 Chuyển động khứ hồi nhờ xylanh khí nén Airtac SC 20x300, trục piston phi

20, hành trình piston 300mm (Hình 1.16)

 Xy lanh được điều khiển bằng van khí nén điện từ đảo chiều Airtac 4V210-08,

5 cửa 2 vị trí, với một đầu điều khiển bằng điện tử Điện áp hoạt động 220V

AC, áp suất hoạt động 0.15-0.8 MPa, điều chỉnh thông qua van tiết lưu (loại 1đầu gen M13) trước khi đi vào xylanh trục X (Hình 1.13)

 Cơ cấu vít me đai ốc có nhiệm vụ đặt cữ hành trình cho cơ cấu, dẫn động bằngđộng cơ điện vạn năng Servo 1 pha 200V 4RK25C-36LB của Oriental Motor(công suất P= 25W)

Hình 1.14 Sơ đồ mô phỏng theo trục Z

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý theo trục Z.

Chuyển động tịnh tiến lên xuống dọc trục Z được thực hiện nhờ chuyển động tịnh tiến khứhồi của piston xilanh khí nén, trục của piston và 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 dướixylanh, dưới tác dụng của khí nén piston bị đẩy lên trên, và ngược lại Hành trình làm việccủa piston chỉ giới hạn trên chiều dài xylanh nhưng nhờ cơ cấu bánh đai - dây đai răng nênkhông gian làm việc của bàn tay kẹp robot Harmo được mở rộng thêm, do đó nó có thể làmviệc với chiều dài gấp đôi chiều dài hành trình piston xylanh khí nén

Trục động cơ không trùng với trục vitme, chuyển động quay của trục động cơ được chuyềntới vitme thông qua cơ cấu bánh răng - đai răng Nguồn động lực dẫn động của cơ cấu làxylanh khí nén tác động hai chiều

Hình1.16 Xylanh khí nén Airtac SC 50x300

 Cơ cấu bánh đai – dây đai răng (tăng gấp đôi chiều dài hành trình làm

việc) nhờ sử dụng loại thanh răng STD 1360-S8M (bánh đai – dây đai răng,bước răng 8mm, chu vi đai răng 1360mm, chiều rộng đai 32mm)

1.3.4 Bậc tự do quay quanh trục Y

Hình 1.17 Mô hình vẽ tay kẹp.

Bậc tự do quay này thực hiện nhiệm vụ quay bàn kẹp quay trục Y để đưa bàn kẹp tớihai vị trí phương ngang và phương thẳng đứng như cổ tay người Giống với các bậc tự dotrục X và trục Z bậc tự do này sử dụng nguồn động lực khí nén sử dụng xylanh khí nén tácđộng 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 thểquay 900

Hình 1.20 Xi lanh STNC TGC.

 Có 2 cảm biến cận JT-1204E1 của hãng TPC ký hiệu là Cb7 và Cb8 lầnlượt cho viết vị trí ngang và đứng của bàn kẹp (Hình 1.21)

Hình 1.21 Cảm biến cận JT-1204E1 của hãng TPC

Xy lanh được điều khiển bằng van điện từ 5/2 Airtac 4V220-08, 5 cửa 2 vị trí, ren 13mm, áp

một cụm piston được gắn với giá bằng quay trụ, piston kết nối với bànkẹp bằng trục khuỷu.

Hình 1.22 Van điện tử 5/2 Airtac 4V220-08

b) Kết cấu bàn kẹp

Nguồn động lực:

 Xy lanh khí nén tác động 1 chiều CUJB16-50S của hãng SMC (Hình 1.23)

Hình 1.23 Xy lanh khí nén hãng SMC

Hình 1.24 Nguyên lý xy lanh kẹp

 Xy lanh bàn kẹp được đièu khiển bằng van 4/2 Burkert 5420 1 đầu điện tử, 1đầu lò xo, áp suất 0.15-1 Mpa (Hình 1.25)

 Xy lanh làm việc một chiều, hồi vị trí bằng lò xo

Chiều dài của hai thanh kẹp: 40mm

Chiều dài hành trình mỗi xylanh: 50 mm

Hình 1.25 Van 4/2 Burkert 5420

Cơ cấu chuyển động:

 Hai má kẹp trên cùng một mặt phẳng đối xứng nhau qua trục của cánh tayRobot (tăng sự ổn định và lực kẹp)

1.3.5 Hệ thống điều khiển

a) Bộ điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller- PLC)

Hoạt động của Robot Harmo được điều khiển bởi bộ PLC CPM2A-40CDR (Hình 1.26)

Hình 1.26 Bộ PLC CPM2A-40CDR

Thông số bộ điều khiển:

 CPU với 40 công I/O

 24 đầu vào và 16 đầu ra

 Nguồn điện: 24VDC

 PLC điều khiển theo rơ le

 Đầu ra:ngõ ra rơ le có thể đóng/ngắt tải với điện áp 250VAC hoặc 24VDC, dòng tối

đa 2A

 Các chức năng tiên tiến phù hợp với các ứng dụng vừa và nhỏ

 Có giao tiếp RS232 trên CPU; Mở rộng đến 180 cổng I/O

 Xử lý tốc độc cao quét và ngắt

 Bộ đếm tốc độ cao 20kHz

 Đồng bộ điều khiển xung đồng bộ

 Chức năng xung đầu ra cho nhiều ứng dụng định vị khác nhau

 Khôi có thể tháo rời để bảo trì dễ dàng

 Chức năng thời gian thực

 Bộ điều khiển tương tự được phân phối có thể được sử dụng

Phần mềm lập trình CX-Programmer của hãng Omron được sử dụng để lập trình

Các tín hiệu đầu vào PLC gồm:

 Các tín hiệu từ cảm biến: 9 cảm biến,1 encoder

 Các nút ấn: khởi động (Start), tạm dừng (Pause), dừng (Stop)

Các tín hiệu ra PLC gồm:

 Các tín hiệu điều khiển piston xylanh (5 tín hiệu)

 Các tín hiệu điều khiển động cơ trục

b) Hệ thống khí nén

Hệ thống khí nén của Robot

Van đảo chiều 5 cửa, 2 vị trí, hai đầu điều khiển bằng điện từ

Xi lanh tác động đơn chuyển động lùi nhờ lò xo

Xi lanh tác động kép với piston tác động ở một đầu cần.Van tiết lưu điều chỉnh được, tác động bất kì

Bộ điều áp

Máy nén khí

Sơ đồ hệ thông điều khiển

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC VÀ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG

HỌC TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG THIẾT KẾ MỚI

2.2 Thiết lập bảng thông số D-H và phương trình động học.

2.2.2 Thiết lập các mô hình biến đổi và các ma trận biến đổi.

Ta có ma trận biến đổi sau:

Aii-1

Thay các thông số tương ứng các khâu vào ta có:

[cos () 0 −sin () cos()

sin () 0 cos () sin ()

Từ đó ta có phương trình động học cơ bản của robot harmo mới là:

CHƯƠNG III

THIẾT KẾ TRUYỀN DẪN CHO CÁC BẬC TỰ DO

CỦA ROBOT MỚI

3.1 Tính toán dẫn động bậc tự do tịnh tiến bằng động cơ.

- Thông số đầu vào:

 Tải trọng khâu Y:

o Tải trọng của trục Y bao gồm toàn bộ tay máy, tay kẹp và chi tiết cặp:

m = 12+17+7+2 =38 (kg)

 Vận tốc dịch chuyển của khâu: v = 0,4 (m/s)

 Gia tốc lớn nhất của khâu: a = 3 (m/s2)

a) Tính toán tốc độ quay của động cơ

Khâu tịnh tiến theo phương Y được truyền động bằng cơ cấu bánh răng, đai răng:

o Bánh răng: số răng z = 30, modun m = 2

 d = m.z = 30.2 = 60 (m.m)

Để khâu có thể di chuyển với vận tốc v = 0,3 (m/s), ta cần tính tốc độ quay của động cơ qua cơ cấu truyền bánh răng, thanh răng:

o Ta có:

Vì mỗi vòng quay của bánh răng, thanh răng di chuyển được 1 đoạn .

 Vận tốc trên cơ sở lý thuyết:

+ v: vận tốc di chuyển trên khâu (m/s)+ n: độ quay của bánh răng (vòng/ phút)

→ n t = 60000*π 600.4 = 127 (rpm)

Mà hộp giảm tốc có tỷ số truyền là 1:10, như vậy tốc độ thực tế của động cơ là:

 nđc=1270(rpm)b) Tính toán công suất của động cơ:

Tổng lực cản của bậc tự do: Fc=Fms+Fqt Trong đó:

o Fms= µmg = 0,6.38.9.8 = 223.44(N)

o Fqt= m.a = 38*3= 114 (N)

 Fc= 347,44 (N)Công suất của động cơ:

o+ F: lực cần tải + : hiệu suất của hệ

+ v: vận tốc chuyển động khâu+ k: hệ số an toàn, chọn k = 1,2

Hộp giảm tốc bánh răng trụ có tỉ số truyền 1:10 , sử dụng hộp giảm tốc 2 cấp :

Hộp giảm tốc 1:10 sử dụng 2 cặp ổ lăn, 2 trục ,2 cặp bánh răng:

+ Tốc độ quay đầu ra đã qua hộp giảm tốc 1:10: 0 - 180 vòng/phút+ Mô men xoắn max: 9.3 Nm

+ Cấp độ bảo vệ: IP65+ Động cơ 3 pha, sử dụng phanh điện từ để đảo chiều

3.1.2: Tính toán lựa chọn bánh răng thanh răng dẫn động

Momen xoắn max: 12Nm (50Hz), 9.8Nm (60Hz)

Đường kính bánh răng thỏa mãn:

M br ≥ T

→ M br ≥ F.d2 ↔ 12 ≥ 347,44.d2 → d ≤ 64.73 (mm)

Đường kính d = 60 (mm) thỏa mãn yêu cầu:

Lựa chọn bánh răng trụ thẳng của hãng Misumi : Spur gear

Modunle m= 2, số răng Z= 30, đường kính d =60, vật liệu thép cacbon chịu lực S45C.

Hình 3.2: Catalog bánh răng hãng Misumi

Lựa chọn thanh răng dẫn hướng hãng Misumi : LRGREA-2.0-ST-1800-k11: Module m2, gia công lỗ mặt bên , chiều dài 1800mm , gia công 11 lỗ cách đều 150mm, vật liệu thép cacbon chịu lực S45C.

Hình 3.2: Catalog thanh răng hãng Misumi

3.1.3: Tính toán lựa chọn dẫn hướng chuyển động.

Phân tích kết cấu chịu tải:

Hình 3.3: Sơ đồ phân bố tải trọng

Tổng chiều dài cụm trục Y : 1200 (mm)

Hình 3.5: catalog NSK Linear Guides NS/NH models

3.2 Tính toán dẫn động bậc tự do tịnh tiến bằng khí nén

- Công thức tính toán xy lanh khí nén:

+ Lực đẩy của xy lanh khí nén:

+ Lực cản của xy lanh khí nén:

+ Diện tích piston: A= m2.+ Đường kính piston: d

+ Vận tốc của xi lanh: (m/s)+ Van điều áp điều chỉnh áp suất cho toàn bộ hệ thống, có thể điều chỉnh từ

0,1-0,85 Mpa Chọn áp suất của hệ hoạt động tại p = 0,55 MPA

3.2.1 Tính toán di chuyển của khâu tịnh tiến theo trục X

- Thông số đầu vào:

 Khối lượng di chuyển theo phương X:

Bao gồm khối lượng di chuyển của khâu X, khâu Z, bàn tay kẹp và vật gắp:

o m = 12+7+1,5+2=22.5 (kg) =

 Chiều dài làm việc trên khâu: l = 0,5 (m)

 Vận tốc di chuyển trên khâu: v= 0,3 (m/s)

 Gia tốc lớn nhất trên khâu: a = 0,3g = 2,94 (m/s2)

- Phân tích lực:

Để piston có thể di chuyển được khâu tịnh tiến, lực đẩy piston phải lớn hơn tổngcác lực cản gồm: lực ma sát cản của piston khi di chuyển trong xylanh, lực ma sát của ổtrượt và sống trượt và lực quán tính

oVới: + Lực quán tính: Fqt=22,5.2 = 45 (N)

+ Lực ma sát giữa ổ trượt và sống trượt:

Thông số đầu vào

Sử dụng 4 con trượt chia đều trên 2 thanh dẫn hướng

Hình 3.5: catalog thanh ray trượt tròn SBR

3.2.2 Tính toán di chuyển của khâu tịnh tiến theo trục Z

- Thông số đầu vào:

 Nên ta chọn được xy lanh chuyển động 2 chiều: CM2B20-300Z của hãng SMC, thoản mãn tốc độ khâu từ 50 đến 750 mm/s.

*Lựa chọn dẫn hướng đai răng:

Tham khảo catalog Misumi lựa chọn thanh trượt CPSFJ 20*80 :

- Vật liệu: S45C

- Đường kính 20 (mm)

- Hành trình 800 (mm) Bạc trượt: LHGW20