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

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 triể

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÁP TRƯỜNG

THIET KE, TINH TOAN VA MO PHONG

KET CAU ROBOT 4 BAC TV DO LAM VIEC TRONG MOI TRUONG CO NHIET DO CAO

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 toán cũng như công 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

phẩm là rất cao, vì vậy chỉ cho phép thời gian đi chuyển của sản phẩm là 10s và tương lai

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

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

được yêu cầu này

== 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 TOÁN VÀ MÔ 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

GVTH: Nguyễn Văn Đoàn Trang 2

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

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

- Tính chuyển vị của điểm tác động cuối

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

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

Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, giá thành cao, tính toán phức tạp.

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

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

độ linh hoạt cao hơn nhiều so với robot Scara, kết cấu đơn giản hơn robot Puma,

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

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

+ Động cơ điện một chiều điểu khiển bằng đòng điện kích thích

Đề Tải _ Kết Cấu Robot 4 Bậc Tự Do Lam Viéc Trong Méi Trường Có Nhiệt Độ Cao

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

GVTH: Nguyên Văn Đoàn

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

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,

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

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

được sửdụng nhiêu nhất Đểđơn giản ta gọi động cơ servo R/C là servo

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

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%

GVTH: Nguyễn Văn Đoàn

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

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

Tải trọng riêng cho phép thang

[Cy số truyền lớn nhât 7/7 |10 | 11,5 | 12,0] 8,0 | 8,0 | 5,7 | 4,7

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

GVTH: Nguyễn Văn Đoàn Trang 12

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

- 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

việc với tốc độ cao và bền vững trong nhiệt độ môi trường tương đối lớn