II. Phân tích và lựa chọn sơ đồ nguyên lý của tay kẹp cần thiết kế:Hiện nay, tay kẹp dùng cho Robot rất đa dạng, phong phú về kết cấu cũng như nguồn động lực tạo ra chuyển động mở và kẹp như có loại dùng động cơ servo, động cơ bước, có loại dùng khí nén, dùng thuỷ lực. Hơn thế, nó cũng rất đa dạng về số khâu, số khớp cổ tay kẹp một khâu hoặc nhiều khâu.Ở đây yêu cầu đặt ra là thiết kế cơ cấu kẹp cho robot công nghiệp dùng để vận chuyển các tấm phi kim loại gồm hai khâu để có thể kẹp được tấm phi kim loại có trọng lượng m = 19,5 kg.Trong điều kiện hiện nay giá thành của động cơ servo cũng như động cơ bước khá cao và không phổ biến vì vậy ở đây chọn nguồn động lực là xylanh thuỷ lực.Qua quá trình phân tích kết cấu cũng như động lực học tay máy quyết định lựa chọn kết cấu của tay gấp như sơ đồ sau:Giải thích kết cấu:Thanh răng được gắn với trục pitton khi thanh răng chuyển động tịnh tiến sẽ làm cho khấu 1 quay quanh trục O được cố định vào thân Robot. Nhờ hệ thống dẫn động hợp lý sẽ dẫn động đến khâu 2 để đảm bảo 2 má kẹp luôn song song với nhau ở bất kì vị trí nào trong khoảng công tác. Nguyên lí hoạt động:Ở trạng thái bình thường khi chưa cấp dầu vào xi lanh 1 thì tay kẹp luôn đóng nhờ có lực đẩy của lò xo 7 luôn chịu nén. Khi bơm dầu vào trong xylanh thắng được lực đẩy của lò xo thì pittong đi xuống nhờ chuyển động tịnh tiến của pitton nên thanh răng đi xuống làm cho khoá 2 quay quanh O tạo ra độ mở cần thiết của tay kẹp. Khi dừng bơm dầu vào xylanh nhờ có lực đẩy của lò xo bị nén làm cho tay kẹp chuyển động ngược chiều lúc mở và thực hiện qua trình kẹp chi tiết. Dầu trong xylanh được ép ra ngoài trở về thiết bị chứa dầu.Ưu điểm của tay kẹp:+ Đơn giản trong kết cấu, chế tạo.+ Chi tiết được kẹp bằng lực lò xo nén khi có sự cố về nguồn động lực thì tay kẹp vẫn kẹp chặt chi tiết.III. Chọn má kẹp:Để kẹp chi tiết dạng tấm phi kim loại có trọng lượng m = 19,5 kg. Nên ta chọn má kẹp là 2 phiến tì có khía nhám. Ta có: B = 40 mm d = 11 mmH = 25 mmL = 140 mmTrọng lượng phiến tỳ.Vphiến tỳ = 140000 m m3 = 140.106 m3 = 7,8103 kgm3 Gphiến tỳ = Vphiến tỳ = 1,092 kgKhoảng cách giữa hai mép phiến tỳ khi kẹp tấm phi kim loại là bề dày của tấm kim loại.IV.Lập các phương trình ràng buộc kết cấu và chọn một số kích thước để đảm bảo kích thước của tay gắp có kích thước và kết cấu hợp lý:1). Tại vị trí cơ cấu kẹp tấm phi kim loại mở cực đại. Vị trí đó như ở hình 1 thanh l1 ở vị trí ngang.Để tay gắp đi xuống kẹp tấm phi kim loại thì khoảng cách giữa hai tấm phiến tỳ ta chọn A = 40 mm để tránh va chạm khi tay robot đưa vào kẹp tấm.Phương trình theo phương ngang: (III.1)Phương trình theo phương đứng
Trang 1Đề bài :
Thiết kế cơ cấu kẹp cho robot công nghiệp dùng để vận chuyển các tấm kim loại có kích thớc L * B * L = 500*500*10
I.Tính trọng l ợng của chi tiết:
Trọng lợng của chi tiết đợc tính theo công thức:
G = γ.V Với + γ: Trọng lợng riêng của vật liệu, có γ = 7,8 (kg/dm3)
+ V: Thể tích của chi tiết, có V = 500*500*10 = 25.105 mm3
⇒ Trọng lợng của chi tiết: G = 7,8*2,5 = 19,5 (Kg)
II Phân tích và lựa chọn sơ đồ nguyên lý của tay kẹp cần thiết kế:
Hiện nay, tay kẹp dùng cho Robot rất đa dạng, phong phú về kết cấu cũng nh nguồn động lực tạo ra chuyển động mở và kẹp nh có loại dùng động cơ servo, động cơ bớc, có loại dùng khí nén, dùng thuỷ lực Hơn thế, nó cũng rất đa dạng về số khâu, số khớp cổ tay kẹp một khâu hoặc nhiều khâu
ở đây yêu cầu đặt ra là thiết kế cơ cấu kẹp cho robot công nghiệp dùng
để vận chuyển các tấm phi kim loại gồm hai khâu để có thể kẹp đợc tấm phi kim loại có trọng lợng m = 19,5 kg
Trong điều kiện hiện nay giá thành của động cơ servo cũng nh động cơ bớc khá cao và không phổ biến vì vậy ở đây chọn nguồn động lực là xylanh thuỷ lực
Qua quá trình phân tích kết cấu cũng nh động lực học tay máy quyết
định lựa chọn kết cấu của tay gấp nh sơ đồ sau:
Giải thích kết cấu:
Thanh răng đợc gắn với trục pitton khi thanh răng chuyển động tịnh tiến
sẽ làm cho khấu 1 quay quanh trục O đợc cố định vào thân Robot Nhờ hệ thống dẫn động hợp lý sẽ dẫn động đến khâu 2 để đảm bảo 2 má kẹp luôn song song với nhau ở bất kì vị trí nào trong khoảng công tác
Nguyên lí hoạt động:
1: Xylanh 2: Pitton 3: trục pitton + thanh răng 4: Khâu 1
5: Khâu 2 6: Má kẹp 7: Lò xo
Trang 2ở trạng thái bình thờng khi cha cấp dầu vào xi lanh 1 thì tay kẹp luôn
đóng nhờ có lực đẩy của lò xo 7 luôn chịu nén Khi bơm dầu vào trong xylanh thắng đợc lực đẩy của lò xo thì pittong đi xuống nhờ chuyển động tịnh tiến của pitton nên thanh răng đi xuống làm cho khoá 2 quay quanh O tạo ra độ
mở cần thiết của tay kẹp Khi dừng bơm dầu vào xylanh nhờ có lực đẩy của lò
xo bị nén làm cho tay kẹp chuyển động ngợc chiều lúc mở và thực hiện qua trình kẹp chi tiết Dầu trong xylanh đợc ép ra ngoài trở về thiết bị chứa dầu
u điểm của tay kẹp:
+ Đơn giản trong kết cấu, chế tạo
+ Chi tiết đợc kẹp bằng lực lò xo nén khi có sự cố về nguồn động lực thì tay kẹp vẫn kẹp chặt chi tiết
III Chọn má kẹp:
Để kẹp chi tiết dạng tấm phi kim loại có trọng lợng m = 19,5 kg Nên ta chọn má kẹp là 2 phiến tì có khía nhám
Trọng lợng phiến tỳ
Vphiến tỳ = 140000mm3 = 140.10-6 m3
γ = 7,8*103 kg/m3
⇒ Gphiến tỳ = Vphiến tỳ*γ = 1,092 kg
Khoảng cách giữa hai mép phiến tỳ khi kẹp tấm phi kim loại là bề dày δ của tấm kim loại
IV.Lập các phơng trình ràng buộc kết cấu và chọn một số kích thớc để đảm bảo kích thớc của tay gắp có kích thớc và kết cấu hợp lý:
1) Tại vị trí cơ cấu kẹp tấm phi kim loại mở cực đại Vị trí đó nh ở hình 1 thanh l1 ở vị trí ngang
Để tay gắp đi xuống kẹp tấm phi kim loại thì khoảng cách giữa hai tấm phiến tỳ ta chọn A = 40 mm để tránh va chạm khi tay robot đa vào kẹp tấm Phơng trình theo phơng ngang:
α cos 2 l H 40 1
l
2 o
D
α cos 2 l 65 1
l
2 o
D
Phơng trình theo phơng đứng
Trang 3α sin
* l h h h 2
L
2 at
ư
+
Chọn hat = hd = δ (mm) (δ : Độ dày của chi tiết)
α 20
L
ct + =
2) Tại vị trí cơ cấu kẹp không làm việc
Phơng trình theo phơng ngang:
cos cos
2
D a l
hoặc
cos cos
2
2
25 +l α = a+D o +l ϕ (III.3)
3).Liên hệ giữa hct với Do :
=
ct
h
2
DO Thay vào (III.2) và thay L = B = 40 mm ta đợc:
α 20
L
ct + = +
D o
=
Từ (III.1), (III.3) và (III.4) ta có hệ phơng trình:
α
cos
2
D
a+ o + − =
cos cos
25 +l α = a+D o +l ϕ
α
sin
2
40
D o + =
Hệ (III*) có 6 ẩn mà 3 phơng trình liên hệ:
Ta chọn trớc l1 = 100 mm l2 = 80 mm
W N
N
Fms
G N
α ϕ
Trang 4a = 10 mm
Do = 33 mm Thay vào ta tính đợc các thông số sau:
ϕ = 350,
α = 450
V Lực kẹp cần thiết W:
W = N (IV.1) Giả sử trọng lợng vật cần nâng G
Điều kiện nâng vật:
2.Fms ≥ G
⇒ 2.N.f ≥ G
⇒ 2.N.f = K.G K: Hệ số an toàn
⇒ N = K2. .G f (IV.2)
Từ (IV.1) và (IV.2) ta có:
W = K2. .G f Chọn hệ số an toàn K = 2
Hệ số ma sát f của chi tiết và phiến tỳ có khía nhám f = 0,25 trọng lợng vật nặng G = 19,5 kg = 195 N
⇒ W = = 780
2.0,25
2.195
(N)
VI Tính và chọn lò xo trong xy lanh thuỷ lực:
ở đây ta sử dụng lò xo để làm áp lực
kẹp để đảm bảo an toàn khi xylanh thuỷ lực bị
hỏng hay các cơ cấu gắn với xylanh bị hỏng
Vì vậy ta phải tính và chọn lò xo
Để đảm bảo đủ lực kẹp cần thiết ta phải
tính cho trờng hợp cơ cấu kẹp tấm kim loại có
bề dày 2δ min Vì khi bề dày 2δ lớn thì lò xo
càng bị nén → lực đẩy càng lớn → lực kẹp
càng lớn mà ở đây Gct là không đổi
Xét vị trí cơ cấu kẹp khi kẹp chi tiết có bề dày
2δ min
Ta có:
cos
1
0
D
a+ + ϕ1 = l2.cosα + H + δmin
⇒δmin = 100.cosϕ1 – 60
Lực kẹp W = 780 N để đảm bảo chi tiết không bị biến dạng do lực kẹp
do vậy ta chọn bề dày min của tấm kim loại là (Tính về một phía):
2.δmin = 10 (mm) ⇒δmin = 5 (mm) Vậy góc ϕ1 tại vị trí δmin là ϕ1 = 123021’
α
ϕ 1
∆ϕ
ϕ
δ
Trang 5Đặt lực lên sơ đồ ta có:
Viết phơng trình cân bằng momen tại O có:
sin [
1
2
D
P lx o
− α +l2.sin(ϕ - ∆ϕ1)] – Gct.lv + ∑Gi.li = 0 (V.1) Coi ảnh hởng của các chi tiết kết cấu lên cơ cấu kẹp = 10% P1x
Ta có qua các trọng lợng Gi; lv rất nhỏ bỏ qua
2
D
P lx o
− α +l2.sin(ϕ - ∆ϕ1)] = 0 P’lx1 = 7184 N
Plx1 = P’lx1 – 0,1.P’lx1 = 0,9.P’lx1 = 6465.6 N
Xét tại vị trí tay kẹp mở max
Khi đó lò xo bị nén thêm:
Giả thiết chọn lực nén lúc đó là:
Plx2 = 1,3*Plx1 = 8405,28 N
Plmax = 8405,28 N
⇒ Độ cứng của lò xo:
3 -1
10 8 39
6 6465 3 0
,
,
,
=
∆
∆
l
P lx
[N/m]
VII Tính các kích th ớc còn lại của các chi
tiết theo điều kiện bền:
1 Tính thanh OA và OB:
Trong phần này ta tính cho trờng hợp
xấu nhất để kết cấu đủ bền Trờng hợp xấu
nhất là khi kẹp tấm phi kim loại có δmax
a Xác định các thông số trong trờng hợp
này:
Ta có
+
2
D
+
l1.cosϕ2 = l2.cosα + H + δmax
⇒δmax = 100.cosϕ2 – 60
Độ mở lớn nhất của cơ cấu kẹp ta chọn là 40 mm ⇒ chiều dày max của tấm phi kim loại là:
2.δmax = 10 ⇒δmax = 5
Góc ϕ2 tại vị trí δmax là ϕ2 = 1200
∆Plx3 = c.∆l2 = 1692,4 N
Plx3 = Plx2 – Plx3 = 6712,88 N
∆l1 = π∗ϕ1
180
Do 2
* = 38,9 mm = 38,9*10-3 m
∆l2 = π.ϕ21
80
Do 2
* =34,54 mm = 34.54*10-3 m
α
ϕ 2
∆ϕ
ϕ
δ
Trang 6Tính lực kẹp lúc này bỏ qua trọng lợng chi tiết đợc kẹp vì nó tạo momen với O nhỏ do đó khoảng cách nhỏ và trọng lợng các thanh vì nó rất nhỏ so với Plx3
∑Mo = P3**(l2sinα + l1sinϕ2) – Plx3*
4
Do
= 0
b Tính thanh AB:
Py = P3.sinα + (G + Gpt).cosα = 288 N
Pz = P3.cosα + (G + Gpt).sinα = 288 N
ứng suất tại điểm nguy hiểm A
σmax = σu min + σnen
=
h b
P h
b
h l
.
.
.
+
2
12
3 2
= 23
2
3
b
P l
P y z
.
.
≤ [σ] Chọn vật liệu thép C45 [σ] = 160
N/mm2
3
2
.
2
.
.
3
b
P
l
P y + z
≤ 160 (VI.1)
⇒ b≥ 6 mm
Kết luận để đảm bảo điều kiện bền thì kích thớc cần rất nhỏ vì vậy ta chọn kết cấu của các thanh OA và AB lớn một chút sẽ đảm bảo điều kiện bền luôn
Ta chọn b = 8 ⇒ h = 14
Ta chọn b = 8 bởi khi thiết kế các thanh đợc tách thành hai, có dạng:
2 Tính toán bộ truyền động bánh răng thanh răng:
Trờng hợp chịu tải lớn nhất là khi tay kẹp ở vị trí mở cực đại vì khi đó lực lò
xo là max
Mô men xoắn:
4
33 28 , 8405 2
2
P
Nmm
α
b=1
Py
M
Qy
Qx
Py*l2
Py
Px
-Plx3*Dp
4*(l2sinα +l1sinϕ2)
G
b
Trang 7
Tính bộ truyền ở đây chỉ cần đảm bảo độ bền uốn vì ở trờng hợp này tốc độ chuyển động ⇒ Tính modul theo công thức:
M ≥ 1,4.3 2
] [
.
.
p d
F FP
z
F K T
σ
ψ (VI.2)
Chọn vật liệu là thép 40x tôi cải thiện phần bánh răng làm việc:
Có σF = 1400 (theo bảng 6.1 trang 92 TKHDĐ cơ khí tập 1)
[σF] ≤ 0,8*σch = 1120 N/mm2
z số răng của bánh răng có đờng kính Do chọn z lớn để chuyển động chính xác chọn z = 66 răng
Do = m z ⇒ m = 0 , 5
66
33 = (mm)
Theo đồ thị 10_21 chi tiết máy tập 1
Với hệ số dịch chỉnh α = 0 z = 66
Giả sử với ψd = 0,4 bố trí theo sơ đồ 6 vật liệu có HB < 350 → Theo đồ thị hình 10 -14 ⇒ KFP = 1,05
Phải xác định hệ số chiều rộng ψb =
o
D b
] [
.
.
3
F
F FP
m z
Y K T
σ
Chọn ψd = 0,6 ⇒ b = ψd.Do = 20 mm
Chia thành hai thanh ở hai đầu có răng b’ = b/2 = 10 mm
VIII Tính toán động học cơ cấu kẹp:
Điều kiện làm việc là ở mọi vị
trí thì hai má kẹp song song với nhau
theo phơng đứng Vì vậy đòi hỏi khi
lắp ghép các chi tiết phải có độ chính
xác cao Và khi tính toán động học
phải có các mối liên hệ động học hợp
lý
Giả sử khi lắp ráp đã đảm bảo
độ chính xác thì điều kiện động học
để hai má kẹp luôn song song ở mọi
vị trí là khi OA quay một góc ϕ quanh
tâm A Hay nói cách khác:
Tốc độ góc của OA quay quanh O là
w1 = w thì
Tốc độ góc của AB quay quanh A là
w2 = -w
Thì khi đó AB chuyển động
tịnh tiến theo một đờng cong nào đó
và đảm bảo hai má kẹp luôn song
song
Trang 8ω
0 '
0 1
0
0 "
Vì vậy bài toán đặt ra là tìm một hệ dẫn động nào đó phù hợp để tạ ra mối liên
hệ giữa hai chuyển động quay đó
Trong trờng hợp này ta chọn hệ dẫn động bánh răng hành tinh bởi u
điểm của hệ dẫn động bánh răng:
+ Đảm bảo ăn khớp đúng khi dịch chuyển khoảng cách tâm
+ Đảm bảo tỷ số truyền không thay đổi khi ăn khớp
+ Hiệu suất bộ truyền cao
Bánh răng d0 = 33 đợc gắn cứng vào trục tại O
Các bánh răng O1, O2, O3 có trục nằm trên OA bánh răng A chuyển
động quay trơn trên trục tại A và gắn cứng với AB khi bánh răng A quay thì
AB quay theo
Với sơ đồ trên đã đảm bảo w1 = wOA ngợc chiều với w2 = wAB Bây giờ phải tìm các đờng kính để đảm bảo w1= w2
Phân tích cặp O - O1 là cặp bánh răng hành tinh bánh răng O cố định và bánh răng O1 lăn trên bánh răng O
WOO1 = wOA = w1 = w
Ta có Vo1 = w
2
d +
do 1
O’là tâm vận tốc của bánh răng O1 trong
chuyển động hành tinh
→ Giả sử có O” là 1 điểm thuộc bánh răng O1 có vị trí
nh hình vẽ
VO” = 2.VO1 = 2.w
2
d +
do 1
Ta chỉ cần tốc độ quay tơng đối của bánh răng O1 quanh tâm
WRO1 =
1
1 1
1
1
1
2
2 2
O
o O
o
O
O O
d
d d w d
d d w d
V
Chọn do = 20 mm
dO1 = 25 mm
wro1 = w .w
5
9 25
25
Ta phân tích và lựa chọn các đờng kính còn lại theo nh hình bên
Trang 9IIX Tính toán hệ thống thuỷ lực:
Hệ thống thuỷ lực có nhiệm vụ tạo ra lực mở cơ cấu kẹp và thay đổi tốc
độ mở hoặc đóng tay kẹp trong cơ cấu tay kẹp này
ở đây ta phải thiết kế xy lanh để đảm bảo tạo ra đủ lực kẹp cần thiết để
mở tay kẹp với một vận tốc Vmax cho trớc Đồng thời phải thiết kế các cơ cấu
nh van tiết lu, van điều khiển, van an toàn để điều khiển đóng mở tay kẹp với vận tốc tuỳ ý và khi áp suất quá [Pth] thì van an toàn sẽ mở để giảm áp
Các van an toàn, cũng nh van tiết lu, van điều khiển không đặt trực tiếp trên tay kẹp mà ta sẽ đặt ở vị trí khác sao cho khi ro bot thực hiện công việc một cách linh hoạt
1 Sơ đồ nguyên lý:
Nguyên lý
ở vị trí bình thờng thì pitton luôn ở điểm chết trên bên phải, tay kẹp luôn đóng, tức là con trợt trong van điều khiển nh hình vẽ Khi có dòng điện chạy trong cuộn nam châm điện của van điều khiển sẽ sinh ra lực từ kéo con trợt chuyển động sang trái mở thông dầu qua van tiết lu 2 vào xylanh đẩy pitton sang trái với tốc độ vm nào đó mà ta có thể điều chỉnh đợc nhờ van tiết
l-u 2 Khi pitton sang trái thì độ lớn lò xo tăng dần sinh ra lực cản chống lại chiều pitton sang trái Khi lực lò xo đủ lớn để cân bằng với áp lực dầu lên pitton thì có khi đó pitton đã tới điểm chết trái (ứng với tay kẹp mở cực đại) thì pitton đứng lại Khi ngắt dòng điện qua nam châm điện thì con trợt trong van điều khiển 3 về vị trí đầu lúc này cửa áp suất vào đóng lại và mở cửa ra để dầu từ xylanh qua van tiết lu 4 trở về thùng dầu 8 do lực đẩy của lò xo trong xylanh, lúc này tay kẹp đang thực hiện quá trình đóng và kẹp chi tiết với vận tốc đóng vd nào đó (có thể điều chỉnh đợc nhờ điều chỉnh van tiết lu 4) Đến một giai đoạn nào đó khi 2 má kẹp chạm vào bề mặt chi tiết và lực kẹp dc tạo
ra nhờ lực nén d của lò xo trong xylanh
Trong trờng hợp có sự cố P vợt quá giới hạn nào đó thì van an toàn mở dầu trở về thùng dầu 8
2 Tính xylanh
Giả sử ta cần mở tay kẹp trong khoảng 1 giây
Theo ở phần trớc ta có:
Lực đẩy cần tạo P = 8405,28 N
1- Xylanh 2- Van tiết lu đầu vào 3- Van điều khiển 4- Van tiết lu đầu ra 5- Bơm
6- Đồng hồ đo áp 7- Van an toàn 8- Thùng đầu
Trang 10Chiều dài hành trình công tác:
hct = ϕ
2
Do = 15,82 mm
nh vậy ta có vận tốc trung bình
Vtb = 1 =15,82
s
h ct
mm/s = 15,82.10-3 m/s
Mà chuyển động của pitton là chuyển động chậm dần đều do có Flx
ngày càng tăng giả sử đó là chuyển động đều → vận tốc ban đầu phải đạt :
vo = 2.vtb = 31,64.10-3 m/s Chọn trớc Dxh = 30 mm
Lu lợng của dầu:
Q = π
4
Dxl vo = 7,45.10-6 m3/s= 7,45.10-3 l/s
Ta có thể bỏ qua ma sát giữa pitton và thành xylanh bởi chúng rất nhỏ
Ta có phơng trình cân bằng lực:
PLxmax = P.π
4
D2 o
áp suất P cần ⇒ P = 2
max
.
4
o
Lx
D
P
π = 9,83.106 N/m2≈ 98 Dar Tính chiều dày thành xylanh theo điều kiện bền
Công thức tính:
σ =
s
D
p Xl
2
.
10 5
≤ [σ] [σ] : ứng suất cho phép chọn ống thép có [σ] = 1,6.108 N/m3
s: chiều dày thành ống
3 5
5
10 6 , 1 2
10 35 10 98 ]
.[
2
.
=
σ Xl
D p
= 10,7*10-1 m ≈ 1,1 mm Chiều dày thành cần rất nhỏ do thép có sức bền cao Nhng để dễ dàng lắp ráp xylanh với tay gắp ta chọn hình dáng kết cấu nh sau để đễ lắp ghép
Tài liệu tham khảo:
Tự động hoá quá trình sản xuất – NXB khoa học kỹ thuật;
Hệ thống thuỷ lực, khí nén;
ROBOTICS;
Chi tiết máy tập 1;
Sức bền vật liệu tập 1, 2;
Nguyên lý máy;
Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2
DXl