thiết kế, tính toán và mô phỏng kết cấu robot 4 bậc tự do làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao

Trang 1

BO GIAO DUC VA DAO TAO

TRUONG DAI HOC SU’ PHAM KY THUAT THANH PHO HO CHi MINH

; |

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÁP TRƯỜNG

THIET KE, TINH TOAN VA MO PHONG

Trang 2

Đề Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP

1.1 Đặt Vấn để

Hiện nay tình hình robot trên thế giới đang ở đỉnh cao của sự phát triển, việc ứng dụng

robot trong nhiễu lĩnh vực khác nhau của đời sống được thể hiện rõ rệt, Nhu cầu thay thế

dần các công việc của con người bằng các tay máy có chức năng tương tự đã và đang tiếp

tục được thực hiện, Trong khi đó, sự tiếp cận về lĩnh vực này ở Việt Nam tính đến nay vẫn còn rất nhiều hạn chế, chúng ta thiếu cả về số lượng cũng như chất lượng các sản phẩm robot thực tế, thiếu về các tài liệu tính toán, về thiết bị điều khiển cũng như công nghệ chế tạo sản phẩm robot hoàn chỉnh

Vì vậy, để tăng tốc độ tiếp cận và áp dụng rộng rãi công nghệ mới này chúng ta cần

phải đẩy mạnh tốc độ phát triển cả về vấn để tính tốn cũng như cơng nghệ chế tạo các

thiết bị hiện đại này, mà trước hết là phải triển khai và phát triển các để tài trong nước làm

tiền dé cho sự phát triển các sản phẩm thực tế sau này

Đứng trước tình hình đó nhiệm vụ của các trung tâm nghiên cứu, các trường Đại học,

cao đẳng trong nước đối với vấn để này, phải được đặt lên tâm quan trọng hàng đầu, các trường phải có nhiều để tài nghiên cứu cả về lãnh vực thiết kế cũng như chế tạo, làm cơ sở

đào tạo ra các cán bộ kỹ thuật có năng lực, đáp ứng được nhu cầu phát triển ngành của

robot trong tương lai gần

Môi trường sản xuất đổ gốm mỹ nghệ tại các xí nghiệp đổ gốm cụ thể là xí nghiệp Kim

Trúc là một môi trường làm việc độc hại, có nhiệt độ cao gây nguy hiểm và giảm tuổi thọ

đối với con người khi làm việc tại đó, chính vì vậy giải pháp thiết kế và chế tạo một cánh

tay robot làm việc thay thế cho các công việc mang tính lặp đi lặp lại của con người là một

vấn để cực kỳ cân thiết và cấp bách, yêu cầu công việc cụ thể như sau:

Nhân gốm sau khi ra khỏi lò nung sẽ được đi chuyển đến bộ hút chân không, nhiệt độ trên

nhân gốm sau khi ra khỏi lò khoảng 800C, và do có sự tỏa nhiệt ra môi trường nên nhiệt

độ môi trường tại đây khoảng 40°C tới 60C,

Yêu cầu trong quá trình đi chuyển nhân gốm là phải di chuyển vị trí của nó từ cửa ra của lò

nung đưa đến bộ hút chân không, đồng thời phải xoay chúng đi một góc 180° để cho đế của

nhân gốm tiếp xúc với lỗ chân không trên bộ hút chân không

Công việc này trước đây và hiện tại đang được thực hiện bằng thủ công, có nghĩa là trực tiếp tay người lao động phải thao tác để thực hiện liên tục nhiệm vụ này, nhưng vì phải làm

việc trong môi trường khá khắc nghiệt, nên mỗi ca chỉ thực hiện được 3h - 4h và phải

chuyển sang ca tiếp theo, hơn nữa do yêu cầu sản phẩm cung cấp ra thị trường của sản

Trang 3

có thể rút ngắn hơn nữa, và điểu đó nói nên rằng: Lao động thủ công sẽ không đáp ứng

được yêu cầu này Bộ Hút chân không Nhân Gốm — ÿ Hướng di chuyển của nhân gốm Nhân gốm ra từ lò nung EPS) \— >

== tay robot cần thiết kế

Nhiệt độ môi trường

60%C

Hình 1.1 Nhu cầu thực tế của vấn để cần nghiên cứu

Từ việc tham quan thực tế của xí nghiệp và yêu cầu đặt ra của nhà sẳn xuất người nghiên cứu thấy rằng: Thiết kế một cánh tay robot thay thế cho con người tại vị trí này là hoàn toàn phù hợp với thực tế sản xuất, trước hết là hạn chế việc tiếp xúc trực tiếp của con

người trong môi trường này và sau đó có thể tăng năng xuất giảm giá thành sản phẩm, và

đó cũng là tiền để cho việc quyết định chọn để tài: “THIẾT KẾ, TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG KẾT CẤU ROBOT 4 BẬC TỰ DO LÀM VIỆC TRONG MÔI TRƯỜNG CÓ NHIỆT ĐỘ CAO” làm để

tài nghiên cứu

1.2Mục tiêu của để tài

- Tham Khảo một số kết cấu robot gắp ứng dụng trong công nghiệp

- Tham khảo một số hình đáng robot và các vật liệu sử dụng trên robot để có thể làm việc lâu dài trong môi trường có nhiệt độ cao

- Chọn hình dáng kết cấu robot và các nguồn dẫn động hợp lý đối với robot ở môi

trường có nhiệt độ trong khoảng ( 60 > 80°C),

- Ứng dụng các công cụ thiết kế và mô phỏng để mô phỏng trước quá trình làm việc của

robot 4 bậc tự do

- Cung cấp một tài liệu tham khảo về lĩnh vực thiết kế,mô phỏng cho sinh viên nói chung và tài liệu thiết kế robot nhiệt cho các đối tượng nghiên cứu về robot nói riêng 1.3 Tâm quan trọng của để tài

Trang 4

Sự thay thế dần sức người bằng sức máy là một vấn để cực kỳ quan trọng trong

quá tình đất nước chuẩn bị hoàn thành giai đoạn CNH-HPH và tiến lên chủ nghĩa xã hội, với để tài “Thiết Kế, Tính Toán Và Mô Phỏng Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong

Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao” Không những cung cấp một cơ cấu robot hữu hiệu cho công việc gắp các sản phẩm gốm ngay sau khi ra lồ mà còn cung cấp thêm một tài liệu về lĩnh vực thiết kế robot nhiệt,

Với kết cấu 4 bậc tự do, robot gắp sản phẩm gốm có thể thực hiện được nhiệm vụ so với yêu cầu đưa ra ban đầu đồng thời nó còn thực hiện được công việc một cách liên tục đảm bảo nâng cao năng suất giảm giá thành sản phẩm và có thể thay đổi công nghệ một cách nhanh chóng dễ dàng

1.4Giới hạn để tài

Do thời gian còn nhiều hạn chế, đồng thời các nghiên cứu về robot nhiệt cũng còn hạn chế về nhiều mặt vì vậy để tài này chỉ nghiên cứu giải pháp các thiết bị dùng trên robot

có thể làm việc được trong môi trường có nhiệt độ từ 60°C đến 100°C, thiết kế robot 4

bậc thực hiện được yêu câu thực tế, mô phỏng chuyển động của điểm tác động cuối

trong quá trình thực hiện công việc

5, Tiến trình nghiên cứu

- Tham khảo sản phẩm cần gắp ra khỏi lò nung

- Tham khảo nhiệt độ trong vùng làm việc của robot và phân bố nhiệt độ từng vùng

- Phác thảo nguyên lý của cơ cấu robot 4 bậc

- Phân tích nguồn lực tác động sử dụng trên từng khớp

- Thiết kế kiểm nghiệm từng khâu, khớp

- chọn nguồn lực tác động, và cơ cấu truyền động

- Mô phỏng quá trình đi chuyển sản phẩm

Trang 5

Chương 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1 Tham khảo một số loại kết cấu robot thường dùng

2.1.1 Robot Scara 4 bậc tự do toàn khớp quay

Hình 2.1 Robot Scara 4 bậc tự do

Ưu điểm: Kết cấu khá đơn giản, dễ chế tạo, vùng không gian hoạt động tương đối rộng

Nhược điểm: độ linh hoạt không cao, hướng của cơ cấu tác động cuối chỉ có thể xoay quanh trục thẳng đứng

Pham vi ứng dụng: ứng dụng trong các dây truyễển lắp ráp các chỉ tiết có định hướng theo một phương, di chuyển sản phẩm giữa các dây truyền, đóng gói, phân chia sản

phẩm, máy cắt bằng tia nước

2.1.2 Cơ cấu robot Puma 6 bac ty do,

Ưu điểm: Với kết cấu 6 bậc tự do toàn khớp quay, sự linh hoạt của tay máy này rất

cao, nó có thể chuyển động theo mọi quỹ đạo trong vùng làm việc, đáp ứng được nhu cầu thay đổi của hệ thống công nghệ

Trang 6

Đề Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao Hình 2.2: Robot Puma 6 bậc tự do Phạm vi ứng dụng: Ứng dụng trong các dây truyền lắp ráp phức tạp, công nghệ phun sơn tự động, công nghệ hàn v.vv, 2,1.3 Robot Stanford 6 bậc tự do, Hình 2.3: Robot Stanford 6 bậc tự do

Ưu điểm: Với kết cấu 6 bậc tự do( 5 khớp quay, một khớp tịnh tiến), robot này cũng có

Trang 7

Nhược điểm: Kết cấu tương đối phức tạp, độ linh hoạt thấp hơn robot Puma

Phạm vi ứng dụng: Ứng dụng trong công nghệ lắp ráp tương đối phức tạp, công nghệ hànv.v.,

2.2 Các nguồn lực tác động

2.2.1 Khí nén, thủy lực

- Sử dụng khí nén hoạc thủy lực làm nguồn lực tác động trên các loại robot làm việc

theo chu trình chuyển động theo điểm của đầu tác động cuối là một giải pháp rất hiệu quả về cả kinh tế lẫn công nghệ trong giai đoạn hiện nay Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của cả hai nguồn lực này và các thiết bị điều khiển đi kèm là nó có sự thay đổi bản chất khi hoạt động trong môi trường có nhiệt độ từ 70°C trở lên

Điều này là đo có sự giãn nở thể tích nội bộ của không khí và chất lỏng nếu nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép, hơn nữa với nguồn lực tác động là thủy lực thì đễ có sự cháy

nổ ở môi trường làm việc này nhất là sau một thời gian làm việc có sự rò rỉ đầu trên các

van điêu khiển, hoạc gây tổn thất lớn về lượng dầu trong thùng chứa chính

2.2.2 Động cơ thường,

- Với động cơ thường tuy có thể làm việc được trong môi trường có nhiệt độ theo yêu

cầu trên, tuy nhiên việc điều khiển chính xác là tương đối phức tạp và tốn kém

- Mặt khác trong điều kiện làm việc có nhiệt độ cao, có thể gây ra sai lệch điều khiển

lớn

Một số đặc điểm của động cơ thường

Động cơ điện một chiều được dùng phổ biến trong các hệ thống điều khiển cơ - điện

vì số vòng quay và hướng quay của nó có thể điều chỉnh một cách dễ dàng, công suất của nó có thể khá lớn, nên thường được đùng ở khâu tác động

Tùy thuộc vào cách đấu cuộn dây kích thích, động cơ điện một chiều có thể phân

thành loại kích thích song song, nối tiếp, hỗn hợp hoặc độc lập Động cơ điện một chiều

kích thích độc lập thường được dùng rộng rãi trong hệ thống điểu khiển Số vòng quay

của nó được thay đổi bằng cách: thay đổi dòng điện kích thích, thay đổi dòng điện phần

ứng của động cơ, hoặc tổ hợp hai phương pháp trên với nhau

Trang 8

Đề Tải _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Lam Viéc Trong Méi Trường Có Nhiệt Độ Cao RE ma +— _ 1, =const Ds 4) Uy KI, IR, ® 1 e 14+T,p ® Hình 24: Sơ đồ động cơ điện mót chiêu kích thích độc lập điều khiển bằng dòng kích thích

Hình (2.12a) trình bay sơ đồ động cơ điện một chiều kích thích độc lập điều khiển

bằng dòng điện kích thích l„ Dòng điện phẩn ứng I, được giữ với giá trị không đổi từ

nguồn điện một chiều do máy phát điện một chiều hoặc bộ chỉnh lưu cung cấp Ngồn

điện kích thích U, có thể lấy từ bộ khuếch đại, nếu lần công suất lớn thì lấy từ máy phát điện mót chiều (máy phát kích từ)

2.2.3 Động cơ bước

- Cũng có thể sử dụng động cơ bước để tăng độ chính xác và gidm chi phi cho bộ điều khiển, nhưng do chỉ hoạt đồng 6 cong suất nhỏ và điều khiển dạng hở nên có thể gặp nhiều sự có và dừng hề thống nếu nhiệt độ tăng lên

+ Nguyên tắc hoạt động chung cửa động cơ bước

Nguyên tấc họat động chung của các dạng động cơ bước được trình bầy như sau :

-_ Với một thanh nam châm vĩnh cửu; đường sức từ trường (từ phổ) do thanh nam châm tạo thành hề thống đường sức khép kín; có hướng đi ra từ cực bắc và đi vào

ở cực nam

-_ Tính chất lưỡng cực cửa thanh nam châm vỉnh cửu có thể được cẩm ứng trong từ

trường tạo bởi dòng điện khi đi qua các bộ dây quấn trên stator Cực tính (hay

hướng) cửa từ trường tạo bởi dòng điện qua dây quấn, phụ thuộc vào hướng dòng, điện đi vào dây quấn Tính chất của cực từ thay đổi khi đổi hướng dòng điện qua các dầy quấn

Trang 9

Để Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao

-_ Khi bố trí thanh nam châm vỉnh cửu có thể quay tự do như phần ứng của máy điện; phần ứng này được đặt trong từ trường tạo bởi phần dây quấn phần cảm stator ,

Hình 2.5: Nguyên lý hoạt động, động cơ bước

Trong hình vẽ trên, trục của từ trường phần cảm và phần ứng lệch nhau một góc Ð, theo nguyên tắc chung của động cơ muốn động cơ có thể quay được đường sức từ trường tạo bởi rotor và stator phải tạo thành các múi đường sức khép kín mạch Chúng ta có thể khảo sát lực từ tương tác giữa từ trường tạo bởi các cực từ của rotor và từ trường tạo

bởi dây quấn trên stator

2.2.4 Động cơ SerVo,

- Động cơ SerVo là loại động cơ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, khi hoạt động nhiệt độ trên bề mặt của nó có thể tăng lên 500 đến 1000°C ma khéng lam thay đổi trạng thái làm việc của nó, đải công suất hoạt động rất lớn từ 5OW tới IOKW, sử dụng nguồn điện Ipha hoạc 3 pha nó được tách thành từng mnodun riêng biệt nên việc sửa chữa và thay thế rất thuận lợi và nhanh chóng, điều khiển vị trí chính xác và có

phần hồi, Thiết bị điều khiển có thể tự chế tạo và tự viết phân mềm điều khiển

- Mặt khác nếu tốc độ đòi hỏi không quá chậm có thể không cần sử dụng hộp giảm tốc ở đầu ra mà thông qua điều khiển trực tiếp cơ cấu tác động cuối,

Trang 10

Một số đặc điểm của động cơ SerVo

Động cở DC và động cơ bước vốn là những hệ hỗi tiếp vòng hđ - ta cấp điện để động cở quay nhưng chứng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động cơ bước là động

cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được Việc thiết lập một hệ thống điểu

khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay của động cơ hoặc làm động cơkhông quay cũng không để dàng

Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hổi tiếp vòng kín Tín hiệu

ra của động cơđược nối với một mạch điểu khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí

sẽđược hỗi tiếp về mạch điêu khiển này Nếu có bât kỳ lý do nào ngăn cần chuyển

động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điểu khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơđạt được điểm chính

xác

Động cở servo có nhiễu kiển dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiễu máy khác nhau, từ máy tiện điểu khiển bằng máy tính cho đến các mồ hình máy bay và xe hơi, Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cở dùng trong mô hình máy bay và xe hơi

Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vỏ tuyến được goi la déng cd servo RIC

(radioŒcontrolled) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điểu khiển

bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này Như vậy có nghĩa là ta không cân phải điểu khiển robot bằng tín hiệu vô tuyến bằng cách sử dụng một động cơ servo, trừ khi ta muốn thế, Ta có

thểđiểu khiển động cơ servo bằng máy tính, một bộ vi xử lý hay thậm chí một mạch

điện tửđơn giản dùng IC 555

Trong chương này ta sẽ tìm hiển động cơ servo R/C là gì, sử dụng chứng trong robot

nhưthế nào Mặc dù còn có nhiễu loại động cơ servo khác nhưng động cơ servo R/C

Trang 11

Hình 2,8 Bên trong của một động cơ servo R/C bao gồm một động cơ, một chuỗi các bánh răng giảm tốc, một mạch điều khiển và một vôn kế

Động cơ và vên kế nổi với mạch điều khiển tạo thành mạch hổi tiếp vòng kín, Cả mạch điều khiển và động cơđểu được cấp nguồn DC (thường từ 4, 8 ~ 7.2 V),

Để quay động cở, tín hiệu sốđược gới tới mạch điểu khiển, Tín hiệu này khởi động động

eở, thông qua chuối bánh răng, nổi với vên kế, Vị tứ của trục vồn kế cho biết vị trí trục ta của servo, Khi vôn kếđạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tất động cơ, Nhưta dgđoán, động od servo được thiết kếđể quay có giới hạn chứ không phẩi quay liền tục nhưđộng cở DC hay động cở bước, Mặc dù ta o6 thé chiinh déng cd servo RIC quay liền tục (sẽ trình bây sau) nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được

góc quay chính xác trong khoảng từ 90o — 180o, Việc điểu khiển này có thểứng dụng để lái robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cẩm biến để quét khấp phòng,

2.3 Các bộ tuyển, 2.3.1.Bộ truyền đai,

Bộ truyền đai được sử dụng ở đầy chỉ só thể là đai răng, khác với đai thang và các loại đai thông thường khác, đai răng có thể lầm việc trong mới trường có nhiệt độ trên 60% nếp được che kín tốt, hơn nữa nó không có hiện tượng trượt truyền động êm din, không gây ra sai số từ nguồn lực tíc động đến bộ phận truyền động cuối cùng

Đặc điểm của bộ truyền đai răng:

Đai răng tương tự như đai det nhưng bỀ mặt trong có các gờ hình thang, tròn hoặc cong, Trên các bánh đại cũng có các rãnh tương ứng Bộ truyền làm việc được là nhờ vào

sự ăn khớp giữa đai và các răng của bánh đai Bộ truyền đai răng được dùng đến công suất

100W , cá biệt có thể dén SOOKW va téc a3 5+50 (m/s) Cá biệt có thể 80(n/:) với dai

loại nhẹ Bề rộng của đai có thể đến 380(mm), tỷ số truyền đạt đến 12 cá biệt có đến 20,

hiệu suất tối da 98%

Trang 12

Để Tải _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao

Hình 2.8 Sự ăn khớp của đai rắng

Bién dang đai răng đã được ứng dụng trên thế giới khá đa dạng về chủng loại Hình 2 chỉ ra một số biên dạng răng thường gặp và ưu nhược điểm cụ thể của nó Ri Ry - P - Roofs Ro a h ` = ees h ' ` Mi + H » a H Vo ` N 7 1 : + /—————— ` An 49" 4pt » "pee

Hình 2.10 : Các loại biên dạng đai răng: a) Răng hình thang, b) Răng hình thang có xế rãnh ở chân răng, c) Răng hình thang chân răng tạo góc, d) Răng cung tròn, e) Răng cong

Trang 13

Đề Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao 4 1257 335 5 5,05 3,65 0,8 5 15,71 4,5 6 6,05 4,70 0,8 Bang 2 Các thông số bộ truyền dai ran Mô đun m (mm) Thông số I1 |15|2 l3 4 |5 |7 |10 Gò hình 2,5 13,5 |5 9 25 |30 |32 |42

Tải trọng riêng cho phép thang

[qo] N/mm Go hinh tron 12 {35 | 42

[Cy số truyền lớn nhât 7/7 |10 | 11,5 | 12,0] 8,0 | 8,0 | 5,7 | 4,7 Số răng z¡ cho phép nhỏ nhất 13 |10 |10 |10 |15 |15 |1§ |18 Số răng z; lớn nhât 110 | 110 | 115 | 115 | 120 | 120 | 120 | 85 1000 13 10 12 16 22 Số ring z, nén chon khin {1500 14 11 14 18 24 v/ph) 3000 15 12 16 20 26 IKhôi lượng Im dây đai có chiêu rộng 1mm, | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 4,0 | 6,0 | 7,0 | 8,0 | 11,0 ke/m.mm

IĐộ mềm của đai chiéu réng Imm trên 7 18 |9 |14 |6 |8 |11 |16

chgiéu dai mdi bước xích I.10', mm?/N

2.3.2 Bộ truyền bánh răng _ bánh vít trục vit

- Với nhiệt độ trên 60°C bộ truyền bánh răng hoạc bánh vít trục vít sẽ không có chuyển

biến và thay đổi tính chất làm việc, tuy nhiên đo có sai số và khe hở giữa các mặt răng

chính vì vậy nó sẽ gây là một sai số đáng kể với yêu cầu của để tài, hơn nữa nếu đòi

hỏi tỉ số truyền lớn sẽ phải sử dụng nhiều cặp bánh răng và điều này sẽ gây ra sai số

tách lũy lớn hơn

- Nếu sử dụng bánh răng hành tinh có thể tăng tỉ số truyền, tuy nhiên kích thước của

chúng khá lớn và có chỉ phí đầu tư lớn

2.3.3 Vit me dai 6c bi

- Vít me đai ốc bi là bộ truyền chính xác thường được sử dụng trong truyền động công nghiệp nó có tỉ số truyền lớn, truyển động êm và chịu được quán tính lớn khi ngừng

khẩn cấp

- Mặt khác kết cấu khá nhỏ gọn, làm việc tốt trong môi trường có nhiệt độ trên 60°C,

thay thế đơn giản và thường tích hợp với truyền động từ động cơ SerVo hoạc bước - Bước vít có nhiều kích thước khác nhau phủ hợp cho từng yêu cầu chuyển động và nhu

cầu cụ thê

Trang 14

Đề Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao Hình 2.11: Vít me đai ốc bi 2.3.4 Bộ dẫn hướng thẳng

- Bộ dẫn hướng thẳng hay còn gọi là băng trượt bị trước đây được chế tạo từ các thanh sắt thẳng kết hợp với vòng bi, chế tạo khá đất và làm việc không đạt hiệu quả tốt, trong

những năm gần đây người ta đã chế tạo chứng như một thiết bị công nghiệp chuẩn

thuận tiện cho việc lắp ghép thay thế và tiêu chuẩn hóa kết cấu

- Về mặt bản chất băng trượt bi chính là vòng bi có bán kính bằng vô cùng, vì vậy các đặc tính khác của nó tương tự như vòng bi công nghiệp, nó có hệ số ma sát nhỏ, làm

Trang 15

Đề Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao Hình 2.13: Băng trượt bị dạng trụ Có thể tích hợp cả chuyển động quay đê tạo thành kết cấu vừa trượt vừa quay Rotary Ball Spline SPR type slide bush

Hình 2.14: Băng trượt bi vừa trượt vừa quay

Hoạc chỉ tịnh tiễn không quay

Hình 2.15: Băng trượt bi chỉ trượt

Trang 16

CHƯƠNG 3: THIET KE_ M06 PHONG ROBOT 4 BAC TU DO

3.1 Chọn số bậc tự đo cho robot

- Robot có ít bậc tự do là một giải pháp tốt nhất cho tất cả các công việc mả nó cần thực

hiện, tuy nhiên số bậc tự đo cũng phải du điều kiện tối thiêu để thực hiện được công việc Với yêu cầu công việc được nêu ra trong phần đặt vấn đề, và theo quỹ đạo chuyên động của nhân gốm cần đi chuyển, ta thấy rằng:

+ Robot phải có một chuyên động quay theo phương thắng đứng

+ do chiều cao giữa vị trí đặt nhân gôm sau khi ra khỏi cửa lò nung và vị trí hút chân

không khác nhau nên cần phải có một bậc tự do nâng hạ, có nghĩa là ta phải dùng một bậc

tự do tịnh tiến

+ để đảm bảo cho quá trình lắp đặt vị trí của lò nung, vị trí của cánh tay robot không cần quá chính Xác và có thê hiệu chỉnh đễ dàng nếu sai số lắp ráp vượt quá giá trị cho phép, chúng ta cần thiết kế thém một bậc tự do điều chỉnh khoảng cách giữa robot với nhân gốm ở lò nung và giữa robot với nhân gốm ở lỗ hút chân không, điều này có nghĩa là thêm một bậc tịnh tiến + Để lật nhân gốm một góc 180°, chúng ta phải sử đụng thêm một bậc tự do quay Bộ Hút chân không ~ Nhân gốm ra từ lò nung =) “` ¬ a Nhân Gốm Cánh tay robot cần thiết kế Z: Cánh tay robot cần thiết kế Robot 4 TC Tự do Nhân gốm B I ra từ lò nung Cánh tay robot cần thiết kế Cánh tay robot cần thiết kế a Hình 3.1: Ý tưởng thiết kế chọn số bậc tự do

3.2 Kết cấu của robot 4 bậc, 3.2.1, Kết cấu của khớp quay 1

Khớp quay được sử dụng nguồn lực tác động là động cơ SerVo, qua bộ truyền bánh đai răng và cuối cùng tác động lên trục quay

Trang 18

Nguồn tác động được sử dụng là động cơ SerVo, qua bộ truyền đai ốc vít me đai ốc bi sẽ biến

chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến với độ chính xác và độ lợi về lực cao, tốc độ dịch chuyển phù hợp Cơ cấu dẫn hướng được sử dụng 2 băng trượt bi cặp 2 bên ống thân Ề = H L A H „4 HH Ih tì rU=r] tH HN ir f{[1n (Led Hình 3.3: Khớp tịnh tiến 2 va khau 1

3,2,3, Kết cấu của khớp tịnh tiến theo phương ngang

Tưởng tự như kết cấu tịnh tiến đứng, kết cấu tịnh tiến ngang cũng sử dụng nguồn dẫn động SerVo, qua bộ truyền đai ốc vit me bi và hệ thống dẫn hướng là băng trượt bi Tuy nhiên động cơ sử dụng ở đây có cồng suất nhổ hơn khớp tịnh tiến theo phương đứng

Trang 19

Hình 3.4: Khớp tịnh tiến 3 và khâu 2,3 3.2.4 Kết cấu xoay đảo chiểu nhân gốm

Ở đây chỉ sử dụng nguồn lực tác động là động cơ Sevro công suất nhỏ, nối trực tiếp với trục

quay thông qua nối trục, và trong quá trình đảo chiều của nhân gốm, động cơ sẽ thực hiện góc quay 1807,

Hình 3.5: Khớp quay 4 và khâu 4

Trang 20

3.2.5 Kết cấu toàn bộ robot 4 bậc tự do Các thông số cơ bản

+ Động cơ SerVo 100W 220V 1000 Vòng/Phút cho khớp quay 4 và khớp tịnh tiến 3 + Động cơ SerVo 400W 220V 1000 Vòng/Phút cho khớp quay 1 và khớp tịnh tiến 2 + Trọng lượng bản thân: 113 Kg

+ Khớp quay 1,4 sử dụng 2 gối ổ lăn

+ Khớp tịnh tiến 2,3 sử dụng băng trượt bi

+ Truyền động 1 sử dụng bánh đai răng

+ Truyền động 2,3 sử dụng vít me đai ốc bi

Trang 21

Đề Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao 3.2.6 Một số bộ phận hoạc chỉ tiết chính

TT | Tên Bộ Phận/Chi tiết TT Tên Bộ Phận/Chi tiết

1 Động cơ SerVo Khớp quay 1 2 Bộ Truyền Đai Răng

3 | Truc quay khdp 1 4 Đế cố định

5 Bích liên kết khâu 1-2 6 Vit me đai ốc bi 1

7 Băng Trượt bi 1 8 Động cơ SerVo khớp trượt 3

9 Vit me dai 6c bi 2 10 Bang Trust bi 2

11 | Động cơ SerVo khớp trượt 2 12 Vỏ che ngoài 13 | Động cơ SerVo khớp quay 4 14 Đế đỡ khâu 4

15 | Trục khâu 4 16 Mỏ gắp giả tưởng

3.2.7 Kết cấu 3D cắt một nửa

Hình 3.7: Bản vẽ 3D cắt một nửa cửa cánh tay

3.2.8 Kết cấu 3D cánh tay robot 4 bậc

Trang 22

Hình 3.8: Bản vẽ 3D của cánh tay robot 4 bậc

3,2,9, Tọa độ Trọng tâm và kết cấu bên trong của cánh tay robot

Trang 23

3.5 Mô phóng quá trình gắp sẩn phẩm, với tay gắp giả tưởng

3.5.1 Trạng thái ban đầu

Nhân gốm được đưa ra khỏi lò nung với nhiệt độ chừng khoảng 600°C, và ngay khi ra

hết cửa lò một tín hiệu sẽ ra lệnh cho cánh tay robot hoat động

Hình 3.10: thời điểm ban đầu khi nhân gốm vừa ra khỏi cửa lò 3.5.2 Trạng thái kết thúc một chu trình

Quá trình mô phỏng sẽ diễn ra theo đúng yêu cầu ban đầu và kết thúc một chu trình sau

khi mỏ cặp đã đưa nhân gốm đến đầu hút chân không

Hình 3.11: Hoàn tất việc thực hiện đi chuyển nhân gốm

Trang 24

3,5,3 Tính toán, mồ phỏng chuyển vị của điểm tác động cuối

- Với trọng lượng phân bố đã được tính toán và liệt kê ở trên và bản vẽ thiết kế đã được trình bày, thì việc đặt kết cấu này trong môi trường có nhiệt độ 40°C đến 50°C sẽ gây ra chuyển vị tại điểm cuối do nhiệt là không đáng kể, chuyển vị do trọng lượng bản thân của cánh tay cũng sẽ rất nhỏ trong khi sai số cho phép trên thực tế có thể lên tới 0.5mm, - Việc tính toán chuyển vị của điểm tác động cuối với kết cấu robot thực là công việc

cực kỳ khó khăn trong điều kiện tính toán trên các bộ máy tính đơn, vì vậy để đơn giản

hóa và có thể tính toán gần đứng chuyển vị của điểm tác động cuối với kết cấu cánh tay

robot này, người nghiên cứu sử dụng mô hình tương đương và thu được kết quả tính toán

trên phân mềm như sau với P =50KN trọng lượng của mỏ gắp

mì Data, xen (mm)

Hình 3.12: Kết quả mô phỏng chuyển vị điểm tác động cuối Như vậy: Chuyển vị lớn nhất = 0.173mm, chuyển vị theo phương Z = 0.17mm Chuyển vị theo phương X = 0.0024mrn, Chuyển vị theo phương Y =0.000837mmm

3.3.4 Quá Trình Mô phỏng

Trang 25

Chương 4 Kết luận _ Hướng phát triển

4.1 Kết luận

Qua quá trình thực hiện để tài, người nghiên cứu đã tìm hiểu nghiên cứu, thiết kế và

thu được những thành quả sau đây

- Nghiên cứu quá trình gấp sản phẩm bằng thủ công tại xí nghiệp Kim Trúc

- Nghiên cứu một số cánh tay robot thông dụng có thể tự động hóa việc gấp sản phẩm

nhân gốm

- Nghiên cứu một số các nguồn lực tác động, các bộ truyền, các bộ dẫn hướng dạng tiêu chuẩn công nghiệp có thể làm việc tốt và lâu đài trong môi trường có nhiệt độ từ 60°C

đến 100°C và công việc sửa chữa thay thé tudng déi dé dang

- Nghiên cứu và lựa chọn số bậc tự do cho cánh tay robot

- Sử dụng vật liệu, nguôn lực dẫn động, bộ truyền phù hợp để cánh tay robot có thể làm việc ổn định và lâu đài trong môi trường khắc nghiệt này

- Hoàn thiện kết cấu 3D của cánh tay robot, hình thành bản vẽ lắp tương đối đầy đủ các bộ phận và chi tiết của cánh ray gấp

- Mô phỏng quỹ đạo của điểm tác động cuối và quá trình làm việc của cánh tay 4 bậc trong qua trình gấp nhân gốm

4.2 Hướng phát triển

-_ Do thời gian và trình độ còn nhiều hạn chế nên quá trình nghiên cứu mới dừng

lại ở việc thiết kế kết cấu cơ khí cho cánh tay gắp theo điều kiện môi trường đã quan sát, mô phỏng quá trình lầm việc của tay gắp và quỹ đạo của nhân gốm Để hoàn thiện và đưa ra sản phẩm có thể ứng dụng được vào thực tế cần phải có

những bước và hướng nghiên cứu tiếp theo như sau:

- _ Nghiên cứu các loại cảm biến và bố trí chúng trên thân robot nhằm thuận lợi cho

việc điều khiển cũng như thời gian làm việc ổn định và lâu dài,

- _ Nghiên cứu sai số lớn nhất có thể xảy ra tại đầu gắp trong điểu kiện môi trường thực tế nhằm đưa ra giải pháp hiệu chỉnh nếu cần thiết

- _ Thiết kế mạch và phần mềm điều khiển để thực hiện được quỹ đạo nêu trên, -_ Chế tạo và thử nghiệm,

Trang 26

Tài liệu tham khảo

1 GS TSKH Nguyễn Thiện Phúc _ Robot công nghiệp _ Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật _2002

2 Cơ sở nghiên cứu sáng tạo robot _ Nhà xuất Bản thống kê , Biên dịch: Trần thế San, Hiệu đính : TS Nguyễn Tiến Dũng

3 Nguyễn Thiện Phúc _ Tay máy - người máy công nghiệp _ Nhà xuất bản khoa

học và kỹ thuật, 1983

4 P.GS Trần Hữu Quế, Vẽ Kỹ Thuật cơ khí tập 1_2, Nhà xuất bản giáo dục 2006

5, Phần Mềm Thiết Kế Autodesk Inventor 10

6 Thiết kế các bộ truyển tiêu chuẩn

Trang 27

Đề Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao Mục lục Trang Chương 1 Dẫn nhập ¿- : 1t 1212111111211111121111 1011111111111 1 Án náááăăăăăăă di 1 1.2 Mục tiêu của để tài n1 n1 1111111 1111111111111111111115115 key 2 1.3.Tầm quan trọng của để tài 1 nàn SH 1101111110111 re 2

1.4.Giới hạn để tầi nn ng 111111111 111111111111111111111111111111xkgryy 3

1.5, Tiến trình nghiÊn CỨU c2 St 323 323123E1232125 125123123 EEEEEtEEErrrkrrrkrrrerrri 3 Chương 2 Cơ sở lý luận :- c1 HH re 4 2.1 Tham khảo một số kết cấu robot thường dùng ¿5 2232222 zxzsccrs2 4

2.1.1 Robot Scara 4 bậc tự do toàn khớp quay „4

2.1.2 Cơ cấu robot Puma 6 bậc tự do 4

2.1.3 Robot Stanford 6 bậc tự đo wd

2.2 CAéc ngudn Lc t4c MONG vccccccccccessscscsssssvsvsvesesvsvsvesesssvsvesessssssevevssssssvevsseeesves 6

2.2.1 Khi nén, they LUC ccc ccccecsesscsecsesccsvsecsesscsecssvsessessssessessesesaeesesavseenee 6 2.2.2 Động cơ thƯỜng uc nh 2H Hà Hy key 6 2;2,3, Động cỡ ĐƯỚCszssssisssssissvsrsrsiexsp661131443801431561191000G51905500111800/00315510310 05808 7

2.2.4 Động CƠ S€TVO vu xxx 2112111111111 krr 8

2.3 Các bộ ITUYỂN, 1 cà à n1 1 1111 11111111111111111111111111111111111111111 1e 10 2.3.1.Bộ truyỂn đãi nh HH HH 11111111111111111 1e 10

2.3.2 Bộ truyền bánh răng _ bánh vít trục VÍt cv tetreerey 12

2.3.3 Vít mẹ đai ỐC Đi Lọc HH TH TH HH HH HH HH tre 12

2.3.4 Bộ dẫn hướng thẳng s1 21 Ề21218112182121111151115117111111111111 1 xả 13

Chương 3 Thiết kế _ Mô phỏng robot 4 bậc tự đO cv che 15

3.1 Chọn số bậc tự do cho robolf - s22 ;spLÐ

3.2 Kết cấu của robot 4 bậc ww lS

3.2.1 Kết cấu của khớp quay 1 „15

3.2.2 Kết cấu của khớp tịnh tiến theo phương đứng ¿sàn 2312 1£srsrerrrrres 16 3.2.3 Kết cấu của khớp tịnh tiến theo phương ngang .: cv cctsrevey 17 3.2.4 Kết cấu xoay đảo chiều nhân gốm c1 1t tterttrkrserrrrerre 18

3.2.5 Kết cấu toàn bộ robot 4 bậc tự đO uc cà Hành H HH H1 ng 19 3.2.6 Một số bộ phận hoạc chỉ tiết chính - cv 22 2Ezxrrrtrrrrrerryee 20 3.2.7 Kết cấu 3D cắt một nửỬia - cà tàn vn HH HH HH tre 20 3.2.8, Kết cấu 3D cánh tay robot 4 ĐẬC cu: t1 10111111011 1121k 20 3.2.9 Tọa độ Trọng tâm và kết cấu bên trong của cánh tay robot - 21 3.5 Mô phỏng quá trình gắp sản phẩm, với tay gấp giả tưởng 22 3.5.1, Trạng thái ban đầu 211 11111111 1111117111111 re 22

3.5.2 Trạng thái kết thúc một chu trình .- ¿- ¿- c s22 22122 123121212EEtrxrrree 22

3.5.3 Tính tốn, mơ phỏng chuyển vị của điểm tác động cuối . 23

Trang 28

Đề Tài _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Làm Việc Trong Môi Trường Có Nhiệt Độ Cao 3.5.4 Quá Trình Mô phỏng vs Chương 4 Kết luận _ hướng phát triển 4.1 Kết luận 4.2 Hướng phát triển

Tài liệu tham khảO ó: cà 11 11111 1111121121 E11 HH HH rệt 25

Trang 29

©9990 G6

Định dạng
Số trang	29
Dung lượng	7,17 MB