tính toán, thiết kế Robot viết chữ phục vụ việc khắc chữ trên các sản phẩm công nghiệp

tính toán, thiết kế Robot viết chữ phục vụ việc khắc chữ trên các sản phẩm công nghiệp

Mục lục Trang

Lời nói đầu

Nền khoa học kỹ thuật ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ, dẫn tới nhữngthay đổi lớn lao trong sản xuất Đó là sự thay đổi lực lượng sản xuất trong mọinghành nghề bằng việc thay sức lao động của người bằng máy móc nhằm đảmbảo tăng năng suất lao động, sản lượng cũng như chất lượng sản phẩm Do đóviệc sử dụng các tay máy hay còn gọi là Robot công nghiệp vào trong sản xuấtđang rất được ưa chuộng bởi vì chúng đáp ứng được các yêu cầu trên Nhưchúng ta đã biết Robot có rất nhiều ưu điểm đặc biệt là chất lượng và độ chínhxác, ngoài ra còn phải kể đến hiệu quả kinh tế cao, có thể làm việc trong môitrường độc hại mà con người không thể làm được, các công việc yêu cầu cẩnthận không được nhầm lẫn,thao tác nhẹ nhàng tinh tế đòi hỏi trình độ của thợbậc cao, và quan trọng là Robot không bị căng thẳng như con người nên có thểlàm việc suốt cả ngày

Ngày nay việc viết chữ và khắc chữ trên các vật liệu của con người là một trongnhững nhu cầu rất cần thiết , việc viết đẹp và đều trong thời gian dài quả là điềukhó khăn đối với con người, chính vì thế mà việc nghiên cứu chế tạo ra một thiết

bị như cánh tay robot để làm được việc đó có ý nghĩa rất lớn

Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot trong khuôn khổ môn học tính toán thiết kế robot sẽ là cơ sở để chúng em tính toán, thiết kế cũng như điều khiển các loại

Robot trong công nghiệp phục vụ sản xuất Cụ thể, ở đây chúng em chọn đề tàitính toán, thiết kế Robot viết chữ phục vụ việc khắc chữ trên các sản phẩm côngnghiệp

CHƯƠNG I PHÂN TÍCH VÀ CHỌN KÊT CẤU

1 Số bậc tự do cần thiết

Đề bài yêu cầu tính toán thiết kế Robot khắc chữ trên mặt phẳng ngang vớihướng viết tùy ý trong không gian làm việc 50×70cm, từ đó ta có thể hìnhdung cần 2 bậc tự do để xác định tọa độ một điểm trên một mặt phẳng, mộtbậc tự do để xác định chiều cao trong không gian, do đó số bậc tự do tốithiểu mà Robot cần có là 3 bậc tự do Dưới đây là một số cơ cấu có thể dung

để xác định các vị trí trong không gian

Cơ cấu robot tọa độ Đecac: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT) Không gian làm việc của bàntay có dạng khối chữ nhật

Hình 1.1 Cơ cấu tọa độ Đecac

Cơ cấu robot tọa độ trụ: Không gian làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng.Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay

Hình 1.2 Cơ cấu tọa độ trụ

Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu

Hình 1.3: Cơ cấu tọa độ cầu

2 Các phương án thiết kế và cấu trúc các khâu khớp

Phương án 5: Robot 4DOF RTRR Phương án 6: Robot 3DOF RTR

Phương án 7 : Robot 3DOF TTR

3 Phân tích và thiết kế cấu trúc được chọn

Với kết cấu 4, 5, 6 bậc tự do, Robot sẽ trở nên linh hoạt hơn, sự di chuyểncủa Robot sẽ uyển chuyển hơn nhưng đồng thời việc tính toán và thiết kế cũngphức tập hơn do đó chi phí cho Robot là rất lớn Để tiết kiệm về mặt kinh tếnhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài toán đặt ra, ta lựa chon phương

án 7: Robot 3 bậc tự do TTR, Robot có 2 khâu tịnh tiến xác định vị trí mộtđiểm trên mặt phẳng và khâu cuối chuyển động quay để xác định tọa độ theochiều cao và hướng viết trong hệ tọa độ Dề Các Do đó việc lựa chọn phương

án này hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu bài toán khi cần thao tác trên mặt phẳngvới hương viết tùy ý

Kết cấu 3D sơ bộ của Robot được thiết kế như sau

Hình 1.4 phương án thiết kế cho robot TTR

Khớp 1 là khớp tịnh tiến sẽ đi dọc chiều dài miền làm việc theo yêu cầu , khớp

2 là khớp tịnh tiến và sẽ đi ngang miền làm việc, như vậy với 2 khớp trên ta đủ

để xác định vị trí của một điểm trên mặt phẳng thao tác

Khớp 3 là khớp quay để điều chỉnh độ cao của bút vẽ so với mặt bàn ngang.Khâu 1 và khâu 2 sẽ dùng vít me ổ bi vì cùng là tịnh tiến

Khâu 3 dùng ổ bi

Phần tính chọn vít me , ổ bi và các thông số chi tiết cho kết cấu sẽ được trìnhbày kĩ trong phần thiết kế cơ khí và tính chọn vít me ổ bi bên dưới

Với kết cấu như trên theo nhóm 4 là phù hợp với yêu cầu của đề bài

Sau khi lựa chọn kết cấu và chọn sơ bộ các khâu, khớp thì sẽ tiến hành giải cácbài toán động học, động lực học,chọn động cơ, và mô phỏng

CHƯƠNG 2 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC

2.1 Khảo sát bài toán động học thuận Robot

Với mô hình tính toán bên trên ta đặt các hệ trục tọa độ theo quy tắc Denevit –Hatenberg và có sơ đồ hệ trục như hình vẽ:

Hình 2.1 sơ đồ hệ trục robot

Sau khi có sơ đồ trên thì ta thiết lập bảng DH:

Bảng 2.1 Bảng các tham số động học của robot

cos sin 0 cossin cos 0 sin

2.2 Thiết lập các phương trình động học robot

Từ các ma trận (2.1) và (2.2) ta xác định được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu 2 so với trục hệ tọa độ cố định là :

1 2

A

cho ta biết hướng và vị trí của khâu thao tác trong

hệ tọa độ cố định hay nói cách khác là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ tọa độ động gắn vào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ tọa độ cố định Vì thế nó còn được biểu diễn qua thông số các biến khớp ta tạm gọi là qi Trong bài toán cụ thể thì nó là các khớp xoay θi, với i=1÷3

- Khi đó, ma trận (2.5) được kí hiệu thành

là giá trị mô tả trực tiếp vị trí và hướng của

EX2Y2Z2 so với hệ tọa độ O0Z0Y0Z0 Trong đó: [x y z E, E, E]

là các tọa

độ điểm E và là các góc quay Cardan của EX3Y3Z3 so với hệ tọa

độ O0Z0Y0Z0 Do các tọa độ thao tác đều là hàm của thời gian Nên ta có thể biểu diễn:

0r t E( )=[x E(t), y E(t), z t E( )]T (2.7)

0

sin sin cos cos sin sin sin sin cos cos sin cos (2.8) cos sin cos sin sin cos sin sin sin cos cos co s

CD n

cũng mô tả vị trí và hướng của khâu thao tác thông qua

hệ tọa độ khâu thao tác Ở đây ta chọn cách biểu diễn thông

( )[1,1] ( )[1,1] cos (cos cos )( )[2,2] ( )[2,2] cos ( sin si

E E E

2.3 Bài toán động học thuận

Bài toán động học thuận: Các thông số đầu vào: q q q1, ,2 3

Thông số cần xác định: điểm tác động cuối E = (x E,y E,z E), và

hướng của khâu tác động cuối so với hệ tọa độ cơ sở

* Ta có tọa độ của điểm tác động cuối:

Thay các giá trị q t1( ) , q t q t2( ), ( )3 và các thông số hình học a1 , a3

vào biểu thức của xE yE zE, , ta có ta có tọa độ của điểm thao tác là :

Ta có thể vẽ đồ thị của điểm thao tác cuối qua các tọa độ như sau với t=0 10s:

Hình 2.1 Đồ thị xE theo t

Hình 2.2 Đồ thị yE theo t

Tính vận tốc điểm tác động cuối E, vận tốc góc khâu thao tác

Vận tốc điểm tác động cuối của Robot

Từ phần trên ta đã xây dựng được quy luật chuyển cũng nhưtìm được tọa độ của khâu thao tác cuối, các biến khớp và đạohàm các cấp theo t đã biết :

VE=r E =[x y z& & &E, E, E]T (2.15)

Từ các phương trình về vị trí của điểm tác động cuối của robot

ta tính được vận tốc của điểm cuối

Đồ thị vận tốc của điểm E trong không gian thao tác:

Hình 2.5 Đồ thị vận tốc điểm E

Đạo hàm các hàm của vận tốc ta được các đồ thị của gia tốc điểm E theo các phương:

Hình 2.6 Đồ thị gia tốc điểm E theo các phươngCác ma trận cosin chỉ hướng của các khâu:

1

0

a VT

0 10

Từ phương trình vị trí điểm E (2.31) thì ta có thể tìm được các biến khớp qi như sau :

E

E E

Hình 2.8 Đồ thị biến khớp q1 q2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 18.5

19 19.5

20 20.5

Lực môi trường tác động vào khâu cuối chỉ gồm phản lực tác dụng lên đầudụng cụ cắt và có giá trị rất nhỏ coi như là bằng 0, như vậy:

T E

là trọng lực của khâu i trong hệ tọa độ cơ bản.

0ri = 0Ri iri là vector có gốc là O0 nối với Oi trong hệ tọa độ cơ bản

0Ri = 0R11R2…i-1Ri là ma trận quay biến đổi từ hệ tọa độ 0 đến hệ tọa độ thứ i

d α d

là vector có gốc Oi-1 nối với Oi trong hệ tọa độ khâu i

0rci = 0Aiirci là vector có gốc O0 nối với Ci trong hệ tọa độ cơ bản

irci : là vector có gốc Oi nối với Ci trong hệ tọa độ khâu i

0

a r

1

0

a r

1

1

120

C

a r

3.2 Tính toán lực và momen lớn nhất ở trạng thái tĩnh

Cho các tham số: m1=267.5, m2=19.2 , m3=40 (kg) a0=1.1 (chiều dài khâu đế)

a = a2 =1

(chiều dài tự nhiên khâu 2) a3 =0.6m

Với mô hình xây dựng trên solid works, ta có các tham số:

Mà -1 ≤sin(q3) ≤1,do đó lực và momen lớn nhất ở khâu 3 là :

CHƯƠNG 4 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

Chúng ta đã biết phương trình lagrang loại 2 viết từng tọa độ suy rộng như sau:

M q q C q q q G q & + & & + = Q

Từ (4.1) viết lại dạng điều khiển như sau :

4.1.2 Xác định các Ma trân Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay

rci là khoảng cách từ gốc tọa độ Oi đến khối tâm i của từng khâu

JTi là ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu i:

1

0.51

1 0 0 0.87 0.36

0.51 0

0 0.6 0.87) 0.21

0.87 0.39 3( 2 )

0.6 0

0.392

q q

00

4.2 Xác định động năng của Robot

Ma trận ten xơ quán tính của hai khâu 1, 2 và 3 với trục gắn vào khối tâm song song với hệ trục của khâu cũng tương ứng là hệ quán tính chính trung tâm

3 '

1, ,

2

k l k

&& && && && && &&

&& && &&

&& && && && && &&

&& && &&

&& && && && && &&

&& && &&

Do Robot chỉ thực hiện thao tác viết chữ nên coi lực và moment rất nhỏ

Theo đề bài,bỏ qua lực ma sát,Moment đặt lên khâu cuối=0 :

4.5 Phương trình vi phân chuyển động của robot

Từ đó ta có hệ phương trình phân của robot:

1 2

U U

CHƯƠNG 5 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG ROBOTPhần A BỘ TRUYỀN VITME ĐAI ỐC BI

Khâu 1, 2 chuyển động tịnh tiến, để đạt độ chính xác cao ta chọn bộ truyền vitme đai ốc cho hệ dẫn động

 Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0.2g =3.92 m/s2

 Thời gian hoạt động: 2 đến 3 năm

→ thiết kế với Lt = 17520h (2năm x 365ngày x 24giờ)

 Hệ số ma sát trượt bề mặt: μ = 0.1

 Tốc độ vòng động cơ: Nmax = 750vg/ph

 Độ chính xác vị trí(không tải): ±0.03/1000mm

1000 750

Tìm lực cắt chính của Robot khi gia công

Trường hợp hệ vít me nằm theo phương ngang

Robot làm nhiệm vụ khắc chữ nên ta coi lực cắt chính là: Fm =0

Điều kiện làm việc và các thông số sẽ được tính chọn

Điều kiện làm việc:

 Theo khớp 1,khi chạy với V=1m/ph=16mm/s:

Tăng tốc (về bên trái): Fa1 = μ(myg+F10 )+ mya + fy

= 0.1×(235×9.8+1450) + 235×1.96 + 235

= 1071 N Chạy đều (về bên trái): Fa2 = μ(myg+F10 )+fy

= 0.1×(235×9.8+1450)+ 235 = 610 N

Gia công (về bên trái): Fa3 = Fm + μ(myg + Fmz+F10)+ fy

= 0 + 0.1×(235×9.8 +0+1450) + 235

= 610 N Giảm tốc (về bên trái): Fa4 = μ(myg+F10) - mya + fy

= 0.1×(235×9.8+1450) – 235×1.96 + 235

= 149.7 N

+ Lực dọc trục lớn nhất:

Từ các lực dọc trục tính ở trên ta thấy lực dọc trục max là:

F 1y = max( F a1, F a2, F a3, F a4 ) = 1071 N=110 kgf.

 Theo khớp 2,khi chạy với V=16mm/s:

Tăng tốc (về bên trái): Fa1 = μ(mxg+F21 )+ mxa + fx

= 0.1×(55×9.8+340) + 55×1.96 + 55

= 250 N

Chạy đều (về bên trái): Fa2 = μ(mxg+F21 )+ fx

= 0.1×(55×9.8+340) + 55

= 144 NGia công (về bên trái): Fa3 = Fm + μ(mxg + Fmz+F21 )+ fx

= 0 + 0.1×(55×9.8 +0+340) + 55

= 143 N Giảm tốc (về bên trái): Fa4 = μ(mxg+F21 )- mxa +fx = 0.1×(55×9.8+340) – 55×1,96 + 55 = 35,1 N

+ Lực dọc trục lớn nhất:

Từ các lực dọc trục tính ở trên ta thấy lực dọc trục max là:

F 1x = max( F a1, F a2, F a3, F a4 ) =250 N= 26 kgf.

Chiều dài trục vít-me:

L1 = tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát = 660 (mm)

b) khâu 2

Chiều dài trục vít-me:

λα

750.660

.10 2, 2 15,1

f

λα

750.600

.10 1,8 15,1

• Số dòng lưu chuyển bi: Bx2.

5.2 5 Chọn series

Từ độ cứng yêu cầu và các yếu tố:tải trọng,đường kính,chiều dài,kích cỡ ổbi…, ta chọn được series trong catalog của hãng PMI phù hợp cho cả khâu 1 và khâu 2 như sau:

=18871h

> 17520 h+ Khả năng tải động :

Ca1 =1219 (kgf) < [ Ca]=980 (kgf)

+ Tốc độ quay cho phép:

n1 = f ×× 107 =

7 2

12 660

=1429070 h > 17520 h+ Khả năng tải động :

Ca2 =288 (kgf) < [ Ca]=1250 (kgf)

+ Tốc độ quay cho phép:

n2 = f ×× 107 =

7 2

12 600

× 103

=869,8 kgf > Fmax(26 kgf)

→Từ quá trình kiểm nghiệm,ta thấy: trục vít-me khớp 2 đảm bảo an toàn.

Hình 5 4Mô hình vitme-ổ đỡ

5.4.2 Kiểm nghiệm ổ lăn

a Kiểm nghiệm khả năng tải động của ổ

C =Q L

Trong đó:

Q - tải trọng quy ước

L - tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay

m -là bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, m=3 với ổ bi

Tính L:

h

là tải trọng hướng tâm và tải trọng dọc trục

V là hệ số kể đến vòng nào quay, ở đây vòng trong quay →V=1

, với va đập nhẹ: K d =1

X ,Y là hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục

Lực hướng tâm: vì khối lượng khâu tịnh tiến được đỡ chủ yếu bởi rãnh mang cá,khối lượng trục vít nhỏ nên coi như ổ bi đỡ chịu lực hướng tâm gần bằng 0

Vậy hầu như chỉ có lực dọc trục tác động lên ổ

=>Tải trọng quy ước trên ổ khâu 1 và 2 là:

C =Q L= − = < =C kN

Vậy ổ lăn đã chọn thỏa mãn khả năng tải động

b Kiểm tra khả năng tải tĩnh của ổ

Nhằm tránh hiện tượng biến dạng dư ta tiến hành chọn ổ theo khả năng tải tĩnh.Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh theo công thức: Q C t≤ 0

Tra

[ ]

11.6

1 221

 Tính tốc độ quay của motor:

nnoml = =

0,7 0,005

5.5.2 Chọn động cơ

Dựa vào momen tĩnh của động cơ và tốc độ của motor, theo catalog của hãng ANILAM ta chọn loại động cơ servo AM 820B có công suất tối đa là

0,8KW và tốc độ quay lớn nhất là 3000 vg/ph

Hình 5 6 Catalog động cơ

ax

( ) 2

m

P P

PHẦN B BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CHO KHÂU 3

Vì công suất không lớn và tốc độ quay không cao, ta chọn bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng dẫn động cho khớp quay khâu 3 của robot

5.1 Thông số đầu vào

Từ kết quả tính toán tĩnh học robot ta có:

Khâu 3 có momen quay là M x M y M z = [0 0 70sinq3]

Ta có trục động cơ được gắn cùng phương với trục Z3 nên trục động cơ chỉ chịu momen M z =70sinq3

Vì − ≤1 sinq3 ≤1 nên M zmax =70(Nm)

Cho tốc độ quay của khớp 3 là n3 =20(vg ph/ )

=0,99 (được che kín) Hiệu suất khớp nối ηkn

a ct

η

Tốc độ quay của khớp : n3 =20(vg ph/ )

Chọn sơ bộ tỷ số truyền u=8

Tốc độ quay sơ bộ của động cơ: n dc =n u3. =160(vg ph/ )

Theo Catalog của hãng ANILAM ta chọn động cơ servo loại AM 1150A có công

suất là 1,7kW và tốc độ quay cực đại là 3000rpm

Hình 5 7 Catalog động cơ

Công suất trên các trục

Công suất trên trục công tác P ra = 1,4 ( )kW

Công suất trên trục II

r

P 1, 4

1, 41( ) 0,99

a II ol

η

Công suất trên trục I

II br

1, 48( ) 0,96.0,99

I II

Thông số Bánh nhỏ

( Bánh chủ động )

Bánh lớn( Bánh bị động )

0 lim

0 lim

.

σ σ σ σ

F

Z Z K K S

Y Y K K K S

σ σ

HB HB

H F

HB HB

σ σ

H F

HB HB

σ σ

d.K HL,K FL hệ số tuổi thọ xét đến ảnh hưởng của thời gian phục vụ và chế độ tảitrọng của bộ truyền:

HE F m FL

FE

N K

N N K

N

Trong đó

m m H, F - là bậc của đường cong mỏi khi thử về ứng suất tiếp xúc Do bánh răng có HB<350 => m H =6

- số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương:

Do bộ truyền chịu tải trọng tĩnh => N HE =N FE =60 .c n∑t

Với :

c số lần ăn khớp trong một vòng quay:c=1

5.8.2.1 Ứng suất tiếp xúc cho phép

[ ]

[ ]

0 lim1 1

1 0 lim 2 2

1

570 1.1 518( )

1,1 550 1.1 500( )

1,1

H

H H

σ σ

5.8.2.2 Ứng suất uốn cho phép

Cánh tay robot quay 2 chiều nên tải trọng đặt 2 chiều → K FC =0,7 0,8−

HB<350 nên chọn K FC =0,7

[ ]

[ ]

0 lim1

0 lim 2

450 1.1.0, 7 180( )

1, 75 432 1.1.0, 7 172( )

1, 75

F

F F

σ σ

5.8.2.3 Ứng suất cho phép khi quá tải

Bánh răng tôi cải thiện nên:

[ ]σH max ≤ 2,8.min{σch1 , σch2} = 2,8.450 1260( = Mpa)

5.4 Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng

Thông số yêu cầu: