Robot tay gắp sản phẩm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ -o0o - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG SVTH: PHAN VIỄN SƠN MSSV: 20502407 TP HỒ CHÍ MINH – 01/2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ -o0o - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ TAY MÁY GẮP SẢN PHẨM GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG SVTH: PHAN VIỄN SƠN MSSV: 20502407 LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG TỜ CAM KẾT Luận văn thực hiện, luận văn nội dung chép lại từ tài liệu khác Sinh viên Phan Viễn Sơn SVTH: PHAN VIỄN SƠN MSSV: 20502407 iv LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn yêu thương đến ba mẹ , ông bà, người thân đa bên cạnh động viên những giai đoạn khó khăn thời gian học tập thực luận văn Tôi xin chân thành cảm n thầy TS Phan Tấn Tùng tận tình hướng dẫn, dạy bảo suốt thời gian thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đa giảng dạy suốt thời gian học tập trường Đại học Bách Khoa Sinh viên thực Phan Viễn Sơn TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn gồm những nội dung sau : - Tìm hiểu tay máy ứng dụng tay máy - Chọn cấu hình tay máy - Phân tích toán động học thuận, nghịch tay máy thiết kế - Mô phỏng kiểm tra tính toán động học mô phỏng quỹ đạo cho trước tay máy - Bản vẽ thiết kế tay máy MỤC LỤC Trang bìa Nhiệm vụ luận văn Tờ cam kết i Lời cảm ơn .ii Tóm tắt luận văn iii Mục lục iv Danh sách hình vẽ vii Danh sách bảng biểu .xi Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Robot công nghiệp 1.1.1 Sơ lược lịch sử xuất -phát triển Robot công nghiệp 1.1.2 Một số định nghĩa Robot 1.2 Cơ sở lựa chọn Robot .3 1.3 Ứng dụng Robot công nghiệp 1.3.1 Ứng dụng robot công nghiệp công nghệ hàn 1.3.2 Ứng dụng robot vũ trụ 1.3.3 Ứng dụng robot công nghiệp lắp ráp .7 1.3.4 Ứng dụng robot công nghiệp việc gắp đặt sản phẩm Chương 2: CHỌN CẤU HÌNH TAY MÁY 2.1 Phân tích nhiệm vụ toán đề phương án .9 2.1.1 Nhiệm vụ toán 2.1.2 Một số phương án thực 10 2.1.3 So sánh khớp quay khớp tinh tiến 14 2.2 Lựa chọn phương án .15 2.3 Kích thước động tay máy cách bố trí 16 Chương 3: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC TAY MÁY 3.1 Thiết lập hệ tọa độ khâu bảng thông số D-H tay máy 18 3.2 Bài toán vị trí thuận 19 3.3 Bài toán vị trí ngược 21 3.4 Không gian làm việc .24 3.5 Bài toán vận tốc thuận 26 3.6 Bài toán vận tốc ngược 27 3.7 Hoạch định quỹ đạo .29 3.8 Moment lực tĩnh khớp 30 Chương 4: MÔ PHỎNG TAY MÁY TRÊN MÁY TÍNH 4.1 Định vị trí quy trình làm việc cho tay máy .32 4.1.1 Bố trí vị trí tay máy .32 4.1.2 Chọn kích thước khâu tay máy .33 4.1.3 Quy trình làm việc 33 4.2 Tính lại toán động h ọc 34 4.2.1 Bài toán ví trí thuận 34 4.2.2 Bài toán ví trí ngược .35 4.2.3 Bài toán vận tốc thuận 36 4.2.4 Bài toán vận tốc ngược 36 4.2.5 Bài toán lực tĩnh khớp .37 4.3 Mô phỏng 38 4.3.1 Mô phỏng kiểm tra phần tính toán động học 39 4.3.2 Mô phỏng quỹ đạo tay máy 45 Chương 5: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 5.1 Khâu phận tác động cuối 56 5.2 Khâu 59 5.3 Khâu 62 5.3.1 Chọn động dẫn động khâu 62 5.3.2 Chọn truyền 63 5.4 Khâu 65 5.4.1 Chọn động dẫn động khâu 65 5.4.2 Chọn truyền 66 5.5 Khâu 67 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot tọa độ vuông góc .4 Hình 1.2 Robot tọa độ trụ Hình 1.3 Robot tọa độ cầu Hình 1.4 Robot khớp bản lề Hình 1.5 Tỉ lệ phân bố loại công việc robot công nghiệp Hình 1.6 Robot hàn hang FANUC .6 Hình 1.7 Tàu thám hiểm Hỏa Viking tay máy robot gắng .6 Hình 1.8 Tay máy Canadarm trạm không gian quốc tế ISS .7 Hình 1.9 Robot lắp ráp mạch in Hình 1.10 Ứng dụng tay máy công nghiệp gắp khối sản phẩm Hình 2.1 Kích thước khối sản phẩm Hình 2.2 Sản phẩm vị trí gắp - đặt .10 Hình 2.3 Các chuyển động tịnh tiến phương án 10 Hình 2.4 Sơ đồ động phương án 11 Hình 2.5 Sơ đồ động phương án 12 Hình 2.6 Sơ đồ động phương án 13 Hình 2.7 Sơ đồ động phương án 15 Hình 2.8 Sơ đồ động đề tài 15 Hình 2.9 Các kích thước động tay máy 16 Hình 2.10 Cách bố trí vị trí tay máy 17 Hình 3.1 Hệ tọa độ khâu tay máy 18 Hình 3.2 Không gian làm việc tay máy 24 Hình 3.3 Hình chiếu không làm việc mặt phẳng ngang 25 LVTN 5.2 GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG KHÂU 4: - Khối lượng sản phẩm: m = Kg - Khối lượng cụm hút: mh = 0,5 Kg - Moment quán tính sản phẩm cụm hút theo trục quay thẳng đứng Z: giả sử sản phẩm cụm hút khối hình hình hộp chữ nhật khối lượng 5,5 Kg, kích thước 200x100x50 Khi moment quán tính đối với trục khớp động 5: Hinh 5.7 Tính moment quán tính theo trục khớp động J = ∫∫∫ r J = ρdV = ρ∫∫∫ m + mh 12 (a +b (r x )= 2 ) + ry dxdydz + 0, 12 (100 + 200 ) ≈ 23000 (Kg.mm2) 2 Với a, b kích thước mặt cắt ngang khối hình hộp - Vận tốc làm việc khớp sau: (chương V) • Hình 5.8 Giản đồ vận tốc gócθ CHƯƠNG VI THIẾT KẾ CƠ KHÍ GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Trong khoảng thời gian giây (giây thứ 7) khớp quay hết hành trình góc β = • 90 để trở vị trí ban đầu Vận tốc góc θ giây này: • Hinh 5.9 Vận tốc góc θ giây thứ • •• •• θ5 = θ5 t1 = 0,1θ5 , Trong khoảng thời gian gia tốc t1 đầu: θ = θ••t = 0, 005θ•• 5 • • •• Trong khoảng thời gian quay t2: θ5 = θ5 t2 = 0,8θ5 = 0, 08θ5 1 + Trong giây: θ = θ•• t + θ• t + θ t − θ t = θ (t + t •• •  •5  5 5 2   • π )=β θ5 = 0, 9θ5 = • 5π  rad  θ5 =  s  => • θ•• = =>   θ5 50π  rad  = t  2 s   Moment xoắn lớn trục khớp động là: T = J θ•• = 23000 50 π - ≈ 0, 4.10 Kg    mm  = 400 ( Nmm) s   Chọn động cơ: RH-11D-3001 “Harmonic Drive LLC” để dẫn động khâu LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Bảng 5.1 Thông số động RH-11D-3001: TN Tm nN nm d m Fa Moment Moment Vòng quay Vòng quay Đường kính Khối lượng Lực dọc trục danh nghĩa Max danh nghĩa Max trục 3,9 N.m 7,8 N.m 30 v/p 50 v/p 10 mm cực đại 0,5 Kg 196 N Hình 5.10 Động RH-11D-3001 - Trọng lượng khâu 5, khâu tác động cuối tải: g(m+mh) = 10(5+0,5) = 55 N < Fa = 196 N - Có thể nối trực tiếp trục động với khâu thông qua khớp nối - Đường kính động 10mm, chọn nối trục hang Misumi: CPDS40-10-10 Hình 5.11 Khớp nối CPDS40-10-10 CHƯƠNG VI THIẾT KẾ CƠ KHÍ GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Bảng 5.2 Thông số khớp nối CPDS40-10-10: - D D1 d1 d2 l l1 L M F 40 28 10 10 12 16,5 38 M4 Liên kết giữa khâu 5: Hình 5.12 Động dẫn động khâu 5.3 KHÂU 3: 5.3.1 Chọn động dẫn động khâu 3: - Khối lượng vật : m = Kg - Khối lượng cụm hút , khâu 4, khâu động cơ: m4 = 1,5 Kg - Khối lượng khâu 3: m3 = 0,5 Kg - Chiều dài khâu 3: L3 = 200 Moment xoắn tải gây ở khớp 3: (với g = 10 m/s ) LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG T = ( m + m) gL + m g - L3 = 6, 5.10.200 + 0, 5.10.100 = 13500Nmm = 13, 5Nm Chọn động RH-14D-3002 “Harmonic Drive LLC” Bảng 5.3 Thông số động RH-14D-3002: TN Tm nN nm d m Fa Moment Moment Vòng quay Vòng quay Đường kính Khối lượng Lực dọc trục danh nghĩa Max danh nghĩa Max trục 5,9 N.m 20 N.m 30 v/p 50 v/p 12 mm 5.3.2 - cực đại 0,77 Kg 392 N Chọn truyền: Chọn truyền đai Có đặc điểm kích thước truyền nhỏ , tượng trượt giữa đai bánh đai, tỉ số truyền lớn (có thể đến 20), hiệu suất cao (0,92 ÷ 0,98), lực tác dụng lên trục ổ nhỏ, công suất truyền đến 750kW - Chọn bánh đai răng: HTPA18-S8M-150 Misumi Bánh đai trục bị động: HTPA18-S8M-150-A-C20 Hình 5.13 Bánh đai HTPA18-S8M-15-A-C20 Bánh đai trục động cơ: HTPA18-S8M-15-B-C12 CHƯƠNG VI THIẾT KẾ CƠ KHÍ GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Hình 5.14 Bánh đai HTPA18-S8M-15-B-C12 Bảng 5.4 Thông số bánh đai HTPA18-S8M-150: - d D W A Shape A 20 32 22 17 Shape B 12 32 22 17 L 37 Bước đai p Số M 18 18 Với số mỗi bánh đai z = z2 = 18, khoảng cách trục a = 150, bước đai p = 8, ta cần chọn đai có p = số tối thiểu zd1: z = d1 2a p + z1 + z2 + ( z2 − z1 )2 p 2.150 18 +18 = + = 55, 40a Lấy z d1 = 56 Chọn dây đai răng: HTPM-480-S8M-150 Misumi có 60 Hình 5.15 Dây đai HTPM-480-S8M-150 LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Hình 5.16 Động bộ truyền dẫn động khâu 5.4 KHÂU 2: 5.4.1 Chọn động dẫn động khâu 2: - Khối lượng khâu 2: m2 = 0,5 Kg - Khối lượng động dẫn động khâu 3: mdc3 = 0,77 Kg - Chiều dài khâu 2: L2 = 300 - Moment xoắn lớn tải gây ở khớp 2: L  T = ( m + m) g ( L + L ) + m g + L + ( m +m 3  2 2  )g dc3 L2 T2 = 6, 5.10.500 + 0, 5.10.400 +1, 27.10.150 ≈ 36100Nmm = 36,1Nm CHƯƠNG VI THIẾT KẾ CƠ KHÍ GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Chọn truyền đai có tỉ số truyền u = 2, thì moment cần thiết trục động ' là: T = T2 = 18, 05Nm - u Chọn động cơ: RH-14D-3002 “Harmonic Drive LLC” 5.4.2 - Chọn truyền: Chọn truyền đai răng, tỉ số truyền u = 2, với bánh đai sau: Bánh đai trục động cơ: HTPA18-S8M-150-B-C12 Misumi Bánh đai trục bị động: HTPA36-S8M-150-A-C20 Misumi Hình 5.17 Bánh đai HTPA36-S8M-15-A-C20 Bảng 5.5 Thông số bánh đai HTPA36-S8M-15-A-C20: Shape A - d D W A Bước đai p Số M 20 75 22 17 36 Với số hai bánh đai 18 36, bước đai p = 8, khoảng cách trục a = 120 thì số zd2 dây đai cần thiết : z d2 = 2a p + z1 + z2 + ( z2 − z1 )2 p 2.120 18 + 36 182.8 = + + = 57, 54 40a 40.120 Lấy z d2 = 58 Chọn dây đai răng: HTPM-480-S8M-150 Misumi có 60 LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Hình 5.18 Động bộ truyền dẫn động khâu 5.5 KHÂU 1: Chọn động dẫn động khâu 1: - Tính tương tự ở khâu 4, moment quán tính từ vật đến trục khớp động 1: 2 = 1398000Kgmm J = J5 + ( m + mh ) d2 = 23000 + 5, 5.500 - Ngoài khối lượng vật, khâu tác động cuối thì khối lượng khâu 1, 2, động đặt chúng gây moment quán tính đối với trục khớp động Lấy: J2 = 1, 42.106 Kgmm - • • θ θ có giản đồ giống nhau, lấy gia tốc góc lớn khâu là: •• θ 50π  rad  - =   s   Do moment xoắn lớn trục khớp động là: CHƯƠNG VI THIẾT KẾ CƠ KHÍ = J6 θ••1 = 1, T 42.10 - GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG 50 π ≈ 24,8.10 Kg    mm  = 24800 ( Nmm) = 24,8( Nm) s   Chọn động cơ: RHS-32-3018 “Harmonic Drive LLC” để dẫn động khâu Bảng 5.6 Thông số động RHS-14-3003: TN Tm nN nm d m Fa Moment Moment Vòng quay Vòng quay Đường kính Khối Lực dọc trục danh nghĩa Max danh nghĩa Max trục lượng cực đại 7,8 Nm 28 Nm 30 v/p 50 v/p 14 mm 1,9 Kg 392 N Hình 5.19 Động RHS-14-3003 Chọn nối trục: - Đường kính động 14mm, đường kính đầu vào trục dẫn 16mm, chọn nối trục CPDS50-14-16 Misumi CHƯƠNG VI THIẾT KẾ CƠ KHÍ GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Hình 5.20 Nối trục CPDS50-14-16 LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Bảng 5.7 Thông số nối trục CPDS50-14-16: D D1 d1 d2 l l1 L M F 50 39 14 16 15 19,4 44 M5 Hình 5.21 Động dẫn động khâu CHƯƠNG VI THIẾT KẾ CƠ KHÍ GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Hình 5.22 Mô hình tay máy LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG KẾT LUẬN Những việc thực hiện được: − Với kiến thức môn học Kỹ Thuật Người Máy, đa giải quyết toán động học cho tay máy thiết kế − Mô phỏng động học quy trình làm việc cho trước tay máy với phần mềm hỗ trợ: Matlab Solidworks − Lựa chọn, thiết kế kết cấu khí, xây dựng mô hình tay máy thết kế Solidworks Những hạn chế đề tài: − Chưa xây dựng mô hình thực tế, mạch điện chương trình điều khiển cho tay máy Hướng phát triển đề tài: − Thiết kế mạch điện chương trình điều khiển − Xây dựng mô hình, ứng dụng vào thí nghiệm thực tế SVTH: PHAN VIỄN SƠN MSSV: 20502407 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Hoài Quốc, (2005), Kỹ thuật người máy –Robot công nghiệp, NXB Đại học Quốc Gia Tp.hcm [2] GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc, (2002), Robot công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [3] TS Phạm Công Bằng, Bài giảng Robot công nghiệp, Đại học Bách Khoa Tp.HCM [4] TS Phan Tấn Tùng, Bài giảng Robot công nghiệp, Đại học Bách Khoa Tp.HCM [5] Lại Khắc Liễm, (2004), Cơ học máy, NXB Đại học Quốc Gia , Tp.HCM [6] Nguyễn Hữu Lộc,(2004), (2007), Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại học Quốc Gia Tp.HCM [7] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí tập 1,2, NXB Giáo Dục [8] Nguyễn Bá Từ, (2009), Thiết kế tay máy tự động cấp khối lượng bù cân động, Đại học Bách Khoa Tp.HCM [9] Nguyễn Văn Thông, (2009), Thiết kế tay máy Scara phục vụ máy ép nhựa, Đại học Bách Khoa Tp.HCM [10] Phạm Quốc Khải, (2009), Thiết kế tay máy lây phom nhựa Pet cỡ lớn, Đại học Bách Khoa Tp.HCM [11] Http://www.harmonicdriver.net/products/actuators/ [12] http://uk.misumi-ec.com/eu/ Catalogue 2009 Misumi [...]... Robot công nghiệp: Ngày nay robot công ghiệp được phát triển rất đa dạng Nhưng có thể phân loại chúng theo nhiều cách khác nhau: - Theo vị trí công tác có thể phân ra robot cấp thoát phôi, robot vận chuyển, robot vạn năng,… - Theo dạng công nghệ chuyên dùng: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp,… - Theo các thức và đặc trưng điều khiển phân ra: robot điều khiển tự động, robot điều khiển bằng tay, ... robot công nghiệp trong việc gắp đặt sản phẩm: Một ứng dụng quan trọng khác của robot công nghiệp là làm khâu trung gian giữa các băng chuyền của các nhà máy sản xuất tự động Nhiệm vụ của tay máy lúc này là gắp các khối sản phầm từ băng chuyền này đưa sang băng chuyền khác, ví dụ như gắp hộp sữa, bánh,… hoặc gắp các khối sản phẩm từ băng chuyền cuối cùng đưa sang băng dẫn xuất sản phẩm. .. dụng tay máy công nghiệp gắp các khối sản phẩm Trong đề tài này sinh viên thực hiện việc thiết kế tay máy gắp khối sản phẩm từ băng chuyền này đặt sang băng chuyền khác, yêu cầu về hướng của khối sản phẩm sau khi đặt LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG CHƯƠNG 2 CHỌN CẤU HÌNH TAY MÁY 2.1 Phân tích nhiệm vụ bài toán và đề ra phương án: 2.1.1 - Nhiệm vụ bài toán: Nhiệm vụ của tay máy là gắp. .. thế robot hàn đa được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp ô tô Hình 1.6 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi và một robot hàn của hãng FANUC 1.3.2 Ứng dụng robot trong vũ trụ: Năm 1976, cánh tay robot đầu tiên trong không gian đa được sử dụng trên tàu hám hiểm Viking của cơ quan không gian NASA của Mỹ để láy mẫu đất trên sao Hỏa Hình 1.7 Tàu thám hiểm sao Hỏa Viking 1 và tay. .. robot gắng trên nó LVTN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Ngày nay tay máy robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trên không gian, việc lắp ráp và vận chuyển hàng hóa lên trạm không gian quốc tế ISS trở nên dễ thực hiện hơn với sự trợ giúp đắt lực của tay máy robot Hình 1.8 Một phi hành gia đang lơ lửng trên không gian cùng với tay máy Canadarm2 trên trạm không gian quốc tế ISS 1.3.3 Ứng dụng robot. .. vụ của tay máy là gắp khối sản phẩm từ băng chuyền này sang băng chuyền khác, song song nhau, cách nhau 500(mm) ( hoặc từ băng chuyền sang nơi đặt sản phẩm cách 500), sau đó định lại hướng sản phẩm (các mặt nằm ngang vẫn giữ song song) để đặt vào vị trí cần thiết Hướng của sản phẩm tại vị trí đặt vuông góc với hướng sản phẩm tại vị trí gắp - Sản phẩm dạng khối rất đa dạng: có... Sản phẩm dạng khối rất đa dạng: có thể là hộp sữa, hộp bánh, block sản phẩm, … - Chọn khối sản phẩm dạng hình hộp chữ nhật có kích thước 100x200x50 Hình 2.1 Kích thước khối sản phẩm - Khối lượng sản phẩm: 5 Kg CHƯƠNG 2 CHỌN KẾT CẤU TAY MÁY 2.1.2 GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Một số phương án thực hiện: z - Lúc đầu sản phẩm ở vị trí A, nó cần được di chuyển đến vị trí B Từ A đến x A... CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Robot công nghiệp: 1.1.1 - Sơ lược lịch sử xuất hiện - phát triển của Robot công nghiệp: Thuật ngữ robot lần đầu thiên xuất hiện năm 1921 trong tác phẩm viễn tưởng “Rossum’s Universal Robot của Karel Capek - Hơn 20 năm sau, năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, nhà nghiên cứu Goertz đa nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi (master-slave manipulator)... thức và đặc trưng điều khiển phân ra: robot điều khiển tự động, robot điều khiển bằng tay, robot có khả năng học, robot nhìn được,… - Theo thế hệ robot: o Thế hệ thứ nhất: robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi (playback robots), theo chương trình định trước o Thế hệ thứ hai: robot được trang bị các cảm biến cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi về hệ thống điều... hoạt: o Robot tọa độ vuông góc: robot có các khâu chuyển động theo 3 phương vuông góc nhau, không gian hoạt động là hình hộp chữ nhật CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG Hình 1.1 Robot tọa độ vuông góc o Robot tọa độ trụ; gồm một chuyển động quay quanh trục và hai chuyển động tịnh tiến theo hai phương vuông góc, có không gian làm việc là khối trụ rỗng Hình 1.2 Robot tọa độ trụ o Robot