Đồ án thiết kế cơ khí HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO KHÂU 2 CỦA ROBOT Trường đại học Bách khoa Hà Nội Đồ án thiết kế cơ khí HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO KHÂU 2 CỦA ROBOT Trường đại học Bách khoa Hà Nội Đồ án thiết kế cơ khí HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO KHÂU 2 CỦA ROBOT Trường đại học Bách khoa Hà Nội Đồ án thiết kế cơ khí HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO KHÂU 2 CỦA ROBOT Trường đại học Bách khoa Hà Nội
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ TÊN ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO KHÂU CỦA ROBOT BẬC TỰ DO GVHD:GS.TS Trần Văn Địch SVTH: Trần Viết Chung MSSV: 20120115 Lớp: Kỹ thuật Cơ điện tử –K57 Hà Nội -2015 Trường ĐHBK Hà Nội Viện Cơ khí Bộ môn công nghệ chế tạo máy TÊN ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO KHÂU CỦA ROBOT BẬC TỰ DO Nhiệm vụ đồ án Cho thông số khâu robot bậc tự quay khơng gian : • Khối lượng khâu: m1=6 (kg), m2=7(kg) , m3=4 (kg) • Chiều dài khâu: d1=0,45(m); a2=0,6(m); a3=0,4 (m) • Quy luật chuyển động Khâu 1: =sin(2t) Khâu 2: = sin( Khâu 3: = sin( t) ) Nhiệm vụ: • Tính tốn động học robot • Tính tốn tĩnh học robot • Tính tốn chọn động cơ, hệ dẫn động cho khâu hai robot ba bậc tự • Mơ mơ hình 3D robot hệ dẫn động vừa tính tốn Chữ ký giáo viên hướng dẫn Chữ ký sinh viên MỤC LỤC Trang Lời nói đầu ……………………………………………………… … … Chương I Giới thiệu robot công nghiệp …………………………… I.Tổng quan robot công nghiệp ……………………………………… II.Cấu trúc phân loại robot ………………………………… …… … III.Phân tích phương án thiết kế……………………………………… … Chương II Giải toán động học………………………………… 2.1 Khảo sát động học thuận robot …………………………………… … 2.2 Thiết lập phương trình động học robot………………………….….10 2.3 tốn động học thuận robot……………………………………… 12 2.4 Giải toán động học ngược robot………………………………… 21 Chương III.Tĩnh học……………………………………………………… 23 3.1 Tính lực dẫn động khớp đảm bảo cân tĩnh…………………… 23 3.2 Xét khâu tác động cuối……………………………………………… 23 3.3 Xét khâu thứ 2………………………………………………………… 27 3.4 Xét khâu thứ nhất……………………………………………………….29 3.5 Tính tốn lực momen lớn trạng thái tĩnh…………………… 31 Chương IV.Tính chọn thiết bị dẫn động cho robot…………… ………… 36 I.Các thành phần tay máy bậc tự do………………………………… 36 II.BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CHO KHÂU HAI……… 36 4.1 Thông số đầu vào ……………………………………………… …… 36 4.2 Tính tốn động học…………………………………………………… 36 4.3.Thiết kế truyền……………………………………………………… 38 4.3.1 Chọn vật liệu…………………………………………………… …… 38 4.3.2 Xác định ứng suất cho phép………………………………………… 39 4.3.2.1 Ứng suất tiếp xúc cho phép……………………………………… 42 4.3.2.2 Ứng suất uốn cho phép………………………………………… 42 4.3.2.3 Ứng suất cho phép tải………………………………….… 42 4.3.3 Tính tốn thiết kế truyền bánh răng………………………………… 42 4.3.3.1 Xác định khoảng cách trục……………………………………… …43 4.3.3.2 Xác định thông số ăn khớp……………………………………… 43 4.4 Kiểm nghiệm truyền bánh ……………………………………… 45 4.4.1 Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc……………………………………… … 45 4.4.2 Kiểm nghiệm độ bền uốn…………………………………………… ….47 4.4.3 Xác định xác độ bền uốn cho phép…………………………… …48 4.4.5 Kiểm nghiệm tải:…………………………………………… ….49 4.5 Chọn khớp nối…………………………………… ………………… …50 4.5.1 Khớp nối trục động cơ………………………………………… ……….50 4.5.2 Kiểm nghiệm khớp nối 1……………………………………………… 52 4.5.3 Khớp nối trục II hộp giảm tốc với trục khâu 2……………… …53 4.6 Tính tốn thiết kế trục …………………………………………………… 55 4.6.1Chọn vật liệu……………………… ………………………………….… 55 4.6.2 Xác định lực sơ đồ đặt lực…………………………………………… 55 4.6.3 Tính sơ đường kính trục……………………………………………….56 4.6.4 Xác định khoảng cách gỗi đỡ điểm đặt lực………………… 56 4.6.5 Biểu đồ momen……………………………………………………………59 4.6.6 Xác định đường kính trục…………………………………………………61 4.7 Tính mối ghép then………………………………………………………….62 4.8 Kiểm nghiệm độ bền trục………………………………… ………………65 4.8.1 Kiểm nghiệm độ bền mỏi……………………………… ……………… 65 4.8.2 Kiểm nghiệm độ bền tĩnh………………………………………… … 73 4.9 Chọn ổ lăn …………………………………………………………… … 75 4.9.1 Ổ lăn trục I……………………………………………………………… 75 4.9.1.1Chọn loại ổ lăn……………………………………………………… …75 4.9.1.2Kiểm nghiệm khả tải động ổ…………………………….… 75 4.9.1.3Kiểm nghiệm khả tải tĩnh ổ………………………………….77 4.9.2 Ổ lăn trục II ………………………………………………………………78 4.9.2.1Chọn loại ổ lăn………………………………………………………… 78 4.9.2.2Kiểm nghiệm khả tải động ổ……………………………… 78 4.9.2.3Kiểm nghiệm khả tải tĩnh ổ…………………………….…….80 CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH THIẾT KẾ 3D……………………………………… 81 Tài liệu tham khảo ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch LỜI NĨI ĐẦU Nền khoa học kỹ thuật ngày phát triển mạnh mẽ,dẫn tới thay đổi lớn lao lao động sản xuất.Đó thay đổi lực lượng sản xuất nhành nghề việc thay đổi sức lao động người máy móc, nhằm đảm bảo tăng suất lao động, sản lượng chất lượng sản phẩm.Do việc sử dụng tay máy hay cịn gọi robot cơng nghiệp vào sản xuất ưa chuộng chúng đáp ứng yêu cầu trên.Như dã biết Robot cơng nghiệp có nhiều ưu điểm đặc biệt chất lượng độ xác,ngồi cịn kể đến hiệu kinh tế cao,có thể làm việc mơi trường độc hại mà người không làm việc được,các công việc yêu cầu cẩn thận không nhầm lẫn,thao tác nhẹ nhành tinh tế địi hỏi trình độ thợ bậc cao,và đặc biệt Robot không bị căng thẳng người nên làm việc suốt ngày Hiện nay, trình sản xuất sản phẩm máy cắt kim loại,các máy gia công áp lực ( cán ,uốn ,dập ,đột,…),các q trình cơng nghệ lắp ráp sản phẩm khí,… phát triển theo xu hướng tự động hóa ngày cao.Để đảm bảo trình sản xuất ổn định cần phải có q trình cấp phơi xác vị trí khơng gian theo nhịp (cấp lúc) liên tục theo chu trình hoạt động máy cách tin cậy Trong thực tế nhành sản xuất nói chung,người ta sử dụng rộng rãi,các cấu cấp phơi khí, cấp phơi khí - điện,cơ khí – khí nén.Với phát triển mạnh mẽ lĩnh vực điều khiển tự động Robot cho phép đưa vào tay máy làm việc theo chương trình sản xuất cơng nghiệp Việc tìm hiểu nghiên cứu robot khuôn khổ môn học đồ án thiết kế hệ thống khí sở để chúng em tính tốn ,thiết kế Robot cơng nghiệp phục vụ sản xuất.Cụ thể chúng em chọn đề tài tính tốn thiết kế Robot cấp phơi tự động sản xuất cơ khí SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU VỀ ROBOT CƠNG NGHIỆP I.Tổng quan Robot cơng nghiệp Lịch sử phát triển Robot thuật ngữ chủ người lao động hệ ngôn ngữ Slaves Từ khoảng năm 1921, nhà viết kịch người Séc Karl Capek viết kịch mang tên Rossum’s Universal Robots, từ Robot tên loại máy tự động tiêu diệt ông chủ chiếm lĩnh giới Năm 1926, thuật ngữ Robot lần lên phim ảnh Đức, phim mang tên Metropolis Năm 1939, Robot Elutoo chó Sporko triển lãm hội chợ New York, Mỹ, thu hút nhiều quan tâm công chúng Năm 1948, trước nhu cầu tự động hóa ngày lớn dây chuyền sản xuất lắp ráp công nghiệp, số loại tay máy nghiên cứu chế tạo thử phịng thí nghiệm Mỹ, châu Âu số nước khác Các kỹ thuật điều khiển động điện điều khiển từ xa đưa vào lĩnh vực Robot khoảng thời gian Cùng với phát triển nhanh chóng khí tự động hóa kỹ thuật điện tử, vào năm 1952, máy CNC giới đời Viện Công nghệ Massachusett, Mỹ Thành tựu sở quan trọng cho phát triển điều khiển Robot đại nhưngày Các định nghĩa Robot Cho đến có số định nghĩa Robot sau: - McKerrow (1986) định nghĩa Robot loại máy móc khí lập trình để thực số cơng việc đó, tương tự máy tính PC thiết bị điện tử lập trình để thực thi nhiệm vụ cụ thể - Schulussel (1985) lại định nghĩa Robot tay máy đa chưc năng, khả trình thiết kế để vận chuyển nguyên nhiên vật liệu, phôi, chi tiết gia công; Robot thiết bị đặc thù lập trình chuyển động đa dạng để thực nhiệm vụ Tình hình phát triển Robot công nghiệp SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Hiện nhu cầu sử dụng Robot cơng nghiệp nói chung ngày tăng, cácloại Robot chế tạo ngày đa dạng, độ xác cao hơn, linh hoạt hơn, giá phù hợp hơn, suất tuổi thọ cao Mặc dù dải ứng dụng Robot ngày mở rộng (thay người hoạt động nặng nhọc, nhàm chán, nguy hiểm, độc hại,…), theo thống kê vào năm 2000 Mỹ, lượng Robot hàn Robot xử lý phôi chiếm khoảng 78% tổng số lượng Robot công nghiệp sử dụng thời điểm Số lượng Robot lắp ráp chiếm khoảng 10% thống kê này.Phần cịn lại Robot cơng nghiệp khác.Nhằm mục tiêu thiết kế, chế tạo hệ Robot công nghiệp ngày thông minh, linh hoạt, nhỏ gọn, rẻ, độ tin cậy cao,… số toán sau vấn đề thời sự, nhà khoa học quan tâm giải quyết: - Tối ưu cấu trúc khí với nhiều ý tới việc sử dụng vật liệu nhé, độ bền cao, lựa chọn truyền có tỷ số truyền hiệu suất lớn, tuổi thọ cao, độ xác cao để tăng độ xác điều khiển, tăng ổn định tuổi thọ - Các toán học: động học, động lực – điều khiển, cân bằng, dư dẫn động, rung, tránh va chạm, cho cấu trúc Robot công nghiệp truyền thống đặc biệt cho cấu trúc động học song song, cấu trúc Robot cơng nghiệp tích hợp Robot di động - Các cấu dẫn động cảm nhận tín hiệu vấn đề quan tâm lớn kỹ thuật Robot Đáp ứng yêu cầu kết cấu điều khiển Robot, cấu dẫn động nghiên cứu ứng dụng theo hướng tiết kiệm lượng, bền lâu,đủ công suất, gọn, nhẹ - Điều khiển thông minh hướng phát triển lớn kỹ thuật Robot, thu hút sựquan tâm nhiều nhà khoa học giới Cùng với phát triển thành tựu lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo, Thị giác máy xử lý ảnh, xử lý âm thanh, tiếng nói,… lĩnh vực điều khiển thơng minh kỹ thuật Robot đà phát triển vô mạnh mẽ.Cho đến nay, hầu hết trường đại học kỹ thuật Việt Nam đưa môn kỹ thuật Robot vào chương trình khóa Mơn học dành chủ yếu cho chuyên ngành khí, song khía cạnh riêng biệt kỹ thuật điều khiển, lập trình mơ ngành khác quan tâm II Cấu trúc phân loại Robot công nghiệp SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 1, Cấu trúc chung Robot công nghiệp Một Robot công nghiệp cấu thành hệ thống sau: - Tay máy: cấu khí gồm khâu, khớp Chúng hình thành cánh tay để tạo chuyển động bản, cổ tay tạo nên khéo léo linh hoạt bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng - Hệ thống truyền dẫn động: khí, thủy khí điện khí, phận chủ yếu tạo nên chuyển dịch khớp động - Hệ thống điều khiển: bảo đảm hoạt động Robot theo thông tin đặt trước nhận biết trình làm việc - Hệ thống cảm biến tín hiệu: thực việc nhận biết biến đổi thông tin hoạt động thân Robot môi trường, đối tượng mà Robot phục vụ 2, Bậc tự Robot Bậc tự khả chuyển động cấu Để dịch chuyển vật thể không gian, cấu chấp hành Robot phải đạt số bậc tự Nói chung hệ Robot cấu hở, số bậc tự Robot tính theo cơng thức (1.1): đó: n – số khâu đơng; pi số khớp loại i (i= 1,2,…,5 : số bậc tự bị hạn chế) Đối với cấu có khâu nối với khớp quay tịnh tiến (khớp động loại 5) số bậc tự với số khâu động Đối với cấu hở, số bậc tự tổng số bậc tự khớp động 3, Hệ toạ độ Mỗi Robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với qua khớp, tạo thành chuỗi động học xuất phát từ khâu sở đứng yên Hệ toạ độ gắn với khâu sở gọi hệ toạ độ sở (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch gắn với khâu động gọi hệ toạ độ suy rộng Trong thời điểm hoạt động, toạ độ suy rộng xác định cấu hình Robot chuyển dịch dài chuyển dịch góc khớp tịnh tiến khớp quay Các toạ độ suy rộng gọi biến khớp Các hệ toạ độ gắn khâu Robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út áp út vào lịng bàn tay, x ngón : cái, trỏ theo phương vng góc nhau, chọn ngón phương chiều trục z, ngón trỏ phương, chiều trục x ngón biểu thị phương, chiều trục y (hình 1.2) Trong Robot ta thường dùng chữ O số i để hệ toạ độ gắn khâu thứ i Như hệ toạ độ sở (hệ toạ độ gắn với khâu cố định) ký hiệu (Oxyz)0 hệ toạ độ gắn khâu trung gian tương ứng (Oxyz) ; (Oxyz)2 …(Oxyz)n-1 hệ toạ độ gắn khâu chấp hành cuối ký hiệu (Oxyz)n,với i= 1,2,3,…,n, n số khâu Robot 5, Phân loại Robot Thế giới Robot phong phú đa dạng, xuất hầu hết lĩnh vực nên việc phân loại chúng mang tính tương đối, tùy thuộc quan điểm mục đích phân loại Tuy nhiên, có cách phân loại bản: theo kết cấu, theo điều khiển theo phạm vi ứng dụng Robot a Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu hình học phạm vi làm việc Robot, người ta phân Robot thành loại: kiểu Đề-các, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người… SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Ta chọn chiều lực Fkn2 trùng chiều lực vòng Ft2 Khả tải động ổ kiểm nghiệm theo công thức:Cd =Q Trong đó: Q - tải trọng quy ước L - tuổi thọ tính triệu vịng quay m -là bậc đường cong mỏi thử ổ lăn, m=3 với ổ bi Tính L: Gọi Lh tuổi thọ tính giờ: L= Với Lh =(20 25).103 tính hộp giảm tốc, chọn Lh =10000 N=20 vòng/phút số vòng quay trục II Vậy L= 60.20.10000 106 = 12 (triệu vòng quay) Xác định tải trọng động quy ước Q Q= (X.V.Fr +Y.Fa)Kt.Kđ Trong đó: Fa;Fr tải trọng hướng tâm tải trọng dọc trục V hệ số kể đến vòng quay, vòng quay →V=1 SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 82 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Kt hệ số kể đến ảnh hưởng nhiệt độ Kt =1(t0 < 1000) Kd hệ số kể đến đặc tính tải trọng.Tra 11.3/215[1] ,với va đập nhẹ :Kd =1 X ,Y hệ số tải trọng hướng tâm dọc trục Lực hướng tâm ổ: Kết :Fx10 ;Fx11 sử dụng tiếp cho phần tính ổ lăn: Fr = (F x 20 + F y 20 ) = 4502 + 162,52 = 478 (N) Fr1 = (F x 21 + F y 21 ) = 7622 + 162,52 = 779(N) Lực dọc trục Fa = 0; Vì có lực hướng tâm nên X=1, Y=0 Tải trọng quy ước ổ là: Q0= (X.V.Fr0 +Y.Fa)Kt.Kđ = (1.1.478+0.0).1,2.1= 574 (N) Q1= (X.V.Fr1 +Y.Fa)Kt.Kđ = (1.1.779+0.0).1,2.1= 935 (N) Ta cần kiểm nghiệm ổ lăn chịu lực lớn hơn, có tải trọng động quy ước Q0 = Q1 = 935 (N) Vậy =>Cd = Q = 935.10-3 12 = 2,14 X0 = 0,6 Kiểm nghiệm với ổ lăn chịu lực lớn Fr1 =779 (N) SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 83 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Qtb = X0Fr1+Y0Fa1 = 0,6 779= 467,4(N) < C0 = 11,6(kN) Vậy ổ lăn chọn thỏa mãn khả tải tĩnh CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH THIẾT KẾ 3D I.Bộ truyền bánh cho khâu SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 84 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 1.Trục SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 85 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Trục I Trục II 2.Bánh SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 86 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Bánh I GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Bánh II 3.Ổ lăn SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 87 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Ổ bi trục I GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Ổ bi trục II 4.Then Then I Then II Bộ truyền bánh SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 88 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Page 89 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch II.Mơ hình khâu Đế 1.Khâu SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 90 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 2.Khâu SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 91 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch 3.Khâu Mơ hình thiết kế SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 92 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Page 93 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: GS.TS Trần Văn Địch Tài liệu tham khảo [1] Trịnh Chất- Lê Văn Uyển: Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí – Tập [2] Trịnh Chất- Lê Văn Uyển: Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí – Tập [3] Nguyễn Trọng Hiệp: Chi tiết máy – Tập [4] Nguyễn Trọng Hiệp: Chi tiết máy – Tập [5] Trịnh Quang Vinh- Nguyễn Đăng Bình- Phạm Thành Long : Robot Công nghiệp [6] Phan Bùi Khôi- Robotics SV: Trần Viết Chung _ MSSV:20120115 Page 94