Thiết kế Robot Scara 3 bậc tự do (final version kèm mô hình 3D, bản vẽ cad)

Liên hệ: Xuân Hải 0988 539 041 để lấy file mô hình trên Autodesk Inventor. Robot công nghiệp là lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thế giới nhưng ở nước ta, lĩnh vực này còn mới mẻ. Ngày nay trong quá trình sản xuất hiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng máy chuyên dùng. Các phương pháp này đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm công nghiệp phù hợp với đa số người tiêu dùng.

Một số hình ảnh mô hình Robot

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 5

1.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động của Robot 5

1.2 Một số ứng dụng của robot scara 6

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ROBOT 7

2.1 Các thành phần kết cấu của Robot 7

2.2 Thông số kĩ thuật 7

2.3 Thiết kế mô hình robot 9

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ROBOT 11

3.1 Tính toán thiết kế bộ truyền động vít me đai ốc – Khâu 3 11

3.1.1 Cơ sở thiết kế 11

3.1.2 Thiết kế 11

3.1.3 Tính chọn động cơ điện cho trục vít me 17

3.1.4 Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo 19

3.2 Tính toán thiết kế Khâu 2 20

3.2.1 Tính toán sức bền sơ bộ 20

3.2.2 Tính toán toán đường kính trục 22

3.2.3 Tính chọn then cho trục số 2 25

3.2.4 Tính chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 2 26

3.2.5 Tính chọn động cơ khâu 2 28

3.2.6 Tính chọn bộ truyền động đai răng 32

3.3 Tính toán thiết kế khâu 1 37

3.3.1 Tính toán sức bền sơ bộ 37

3.3.2 Tính toán lựa chọn kết cấu trục số 1 39

3.3.3 Tính chọn động cơ khâu 1 41

3.3.4 Tính chọn bộ truyền động đai răng 42

3.4 Tính toán thiết kế thân Robot – Khâu đế 43

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D TRÊN PHẦN MỀM AUTODESK

INVENTOR 46

4.1 Những tính năng nổi trội của Inventor: 46

4.2 Mô hình 3D Scara Robot 3 bậc tự do trên Inventor 47

4.2.1 Cụm khâu đế 47

4.2.2 Cụm khâu 1 47

4.2.3 Cụm khâu 2 48

4.2.4 Cụm giá đỡ trục vít me 49

4.2.5 Cụm trục dẫn hướng 49

4.2.6 Mô hình Scara Robot hoàn chỉnh 50

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

LỜI MỞ ĐẦU

Robot công nghiệp là lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thếgiới nhưng ở nước ta, lĩnh vực này còn mới mẻ Ngày nay trong quá trình sản xuấthiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng máy chuyên dùng Các phươngpháp này đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm công nghiệp phù hợpvới đa số người tiêu dùng

Tuy nhiên, mỗi máy công cụ được thiết kế để thực hiện nguyên công chotrước, mỗi khi cần thay đổi kiểu mẫu sản phẩm, thì toàn bộ dây chuyền sản xuấtphải được cải tạo lại Việc sửa đổi rất tốn kém Chính những lý do đó đã thúc đẩy

sự phát triển của phươnng pháp sản xuất tiên tiến, đó là chế tạo ra các loại robotđược đưa vào quy trình chế tạo để thực hiện nhiều nguyên công như: chuyển tải vật

tư và các thiết bị trong các dây truyền hiện đại, hàn điểm, sơn phun và lắp ráptrong công nghiệp ô tô Đây là kiểu tự động hóa linh hoạt và mang lại hiệu quảkinh tế cao, rất cần thiết trong hoàn cảnh đất nước ta hiện nay đang tiến tới côngnghiệp hóa hiện đại hóa toàn diện

Robot công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong các dây truyền sản xuấthiện đại và có sự linh hoạt cao Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo robot là rất cầnthiết và vô cùng quan trọng Qua quá trình thực hiện Đồ án thiết kế hệ thống cơ khívới đề tài Thiết kế

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tâm huyết của thầy TS.Nguyễn Thành Hùng – Bộ môn Cơ điện tử - Viện cơ khí – Đại học Bách khoa Hà

Nội đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian hoàn thành đồ ánnày.

Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không nhiều nên trong quátrình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Đề tài rất mong được sự góp ýcủa quý thầy cô

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động của Robot

Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vởkịch của ông Rosum’s Universal Robots được xuất bản vào năm 1921 Co lẽ đó làmột gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về việc sáng chế nhưng cơ cấu,máy móc bắt chước các hoạt động của con người

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hailĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator)

và các máy công cụ điều khiển số (NC-Numerially Controoled Machine Toll)

 Robot là thiết bị linh hoạt phục vụ con người

– Có hình dạng (cơ cấu) gần giống tay người

– Có khả năng thao tác tự động

– Có khả năng bắt chước thao tác con người

 Các bộ phận chính của cánh tay robot

– Cơ cấu chấp hành

– Hệ thống dẫn động

– Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt– Hệ thống thông tin giám sát

• Tay máy hoạt động được nhờ các động cơ thông qua các bộ truyền như: hộpgiảm tốc bánh răng, bánh răng - thanh răng, trục vít, khí nén, …

• Kết cấu tay robot vững chắc, hoạt động tin cậy, dễ dàng đạt đến vị trí của vậtthể được tác động

Hình 1.1 Robot Scara

1.2 Một số ứng dụng của robot scara

- Lắp ráp và thử nghiệm các chi tiết khác nhau, lắp ráp các linh kiện điện tử

- Kiểm tra bảng PC, tự động làm sạch các thành phần mạch

- Đóng gói sản phẩm

- Ứng dụng tự động trong y tế

Hình 1.2 Robot Scara lắp ráp linh kiện điện thoại di động

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ

KỸ THUẬT CỦA ROBOT

2.1 Các thành phần kết cấu của Robot

Các khâu chính

Tay robot có 3 bậc tự do, thiết kế cơ khí dạng 2 khớp xoay, 1 khớp tịnh tiến

 Thân robot: Là khâu cố định,đặt thẳng đứng giữ robot cố định khilàm việc, gắn với khâu động 1 qua khớp xoay 1 với trục z01 thẳng đứng

 Khâu 1: khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứngtrong suốt quá trình làm việc của robot,có khả năng quay xung quanh trục

Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay,các khớp đều là thẳng đứng

– Khớp xoay 1, 2 : hệ bánh răng(hộp giảm tốc), truyền động đai…

• Khớp 3: Tịnh tiến: v=2.78 m/s

Khả năng lặp lại vị trí cũ (độ chính xác):

• Khớp 1+ khớp 2: ±0.02 mm

• Khớp 3: Tịnh tiến: ±0.01 mm

Hình 2.2 Giới hạn miền làm việc

- Tải trọng tối đa: 10kg

- Miền làm việc của các khớp:

2.3 Thiết kế mô hình robot

Ở đây em sử dụng phần mềm SolidWords để thiết kế sơ bộ mô hình cáckhâu và kết cấu của Robot

Hình 2.1: Mô hình robot scara

 Khâu 0 (khâu đế): Khâu cố định

 Khâu 1: Khâu động quay quanh trục thẳng đứng

 Khâu 2: Khâu động quay quanh trục thẳng đứng song song với trục của khâu cốđịnh và ở phía cuối khâu 1

 Khâu 3: Khâu động tịnh tiến theo phương song song với trục khâu cố định và ởphía cuối khâu 2

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ

Hình 3.1 Vít me bi

- Tùy theo dạng chuyển động của vít và đai ốc có thể chia ra các loại:

 Vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định với giá

 Đai ốc quay, vít tịnh tiến

 Vít quay, đai ốc tịnh tiến

 Đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến, vít cố định

- Vận tốc tịnh tiến của vít và số vòng quay trong một phút của đai ốc có liên hệ:

v= n Z p

60× 1000

Trong đó: Z – số mối ren

p– Bước ren, mmn– tốc độ quay của đai ốc

3.1.2 Thiết kế

Lựa chọn vật liệu và profin ren:

-Vít, bi : Thép cacbon C45 (độ cứng tôi bề mặt trên 60)

-Đai ốc: Gang xám

Sơ đồ truyền động:

Hình 3.2 Sơ đồ truyền động của trục vít me.

Các thông số đầu vào:

- Đối với tải có khối lượng m= 10kg

- Vận tốc lớn nhất của đai ốc v=2780mm/s

- Đồ thị vận tốc có dạng hình thang, tốc độ ban đầu bằng 0, và gia tốc là hằng số ở cả giai đoạn khởi động và hãm.(Thời gian khởi động xấp xỉ 20% thời gian 1 vòng chu kì)

Chọn trục vít me bi theo tiêu chuẩn SKF:

Từ những thông số trên ta chọn được trục vít me bi hỗ trợ gối đỡ cố định một đầu(PLBU ball screw support bearings) như sau:

Hình 3.4 Trục vít me bi hỗ trợ gối cố định 1 đầuKích thước hình học của trục vít me và đai ốc lựa chọn:

Hình 3.5 Thông số hình học trục vít me SND 16x10R.

Tính toán kiểm nghiệm trục vít me và chọn các thông số cho trục:

- Lựa chọn kết cấu đầu trục: (một đầu thuộc kiểu 2A và một đầu kiểu 4A)

Hình 3.6 Đầu trục kiểu 2A&4A.

- Lựa chọn gối đỡ cho trục vít me (một đầu dùng gối đỡ có mặt bích và mộtđầu dùng gối đỡ tự lựa):

Hình 3.7 Gối đỡ cố định.

6 1 2 2

49.10

cr

f d n

 d2: đường kính chân ren của trục vít D d2=12,6mm

 l: khoảng cách giữa hai gối đỡ

l= 300 + 47 + 2.2.5= 352mm: tổng hành trình vít me, chiều dài đai ốc

và chiều dài hai đầu không ren

3.1.3 Tính chọn động cơ điện cho trục vít me:

- Mô men xoắn cần truyền vào trục vít me:

T= F P h

2000 πη=

196.10 2000.3,14 0,873≈ 0,35 Nm

- Công suất lớn nhất trên trục vít me:

P = 196.n P h

60000 η =

196.4170 10 60000.0,873≈ 156 W

- Tốc độ lớn nhất của động cơ: n= 4170rpm

Từ các thông số trên chọn động cơ truyền động cho trục vít me dựa vào bảng sau

Hình 3.9 Bảng lựa chọn động cơ servo

Vậy ta chọn động cơ CSMT-02B AC Servo Motor (Samsung) -(0,9kg)

3.2 Tính toán thiết kế Khâu 2

3.2.1 Tính toán sức bền sơ bộ

Lựa chọn vật liệu:

Thép CT45(khối lượng riêng: ρ=7850¿)

Giới hạn chảy: [σ c]=360 MPa

Mặt cắt ngang nguy hiểm nhất tại ngàm.

Momen uốn lớn nhất: Mmax=P3× g × L2+m 2tt × g × L2

2 (N mm) Trong đó: m 2 tt=2 ρ L 2 b a 10−9(kg)

Chọn: a=15 mm , b=50 mm

m 2 tt=4,12kg → σ max 2=8,7 MPa → thỏamãn điềukiện bền

Thiết kế cẳng dài về bên phía mỗi phía thêm 30 mm (khoét lỗ trục)

=> m2=4,5 kg

Trọng lượng khâu 3 + tải + động cơ

P 3 =13.4kg

3.2.2 Tính toán toán đường kính trục

Hình 3.13 Mô hình thiết kế trên solidworks

Chọn vật liệu chế tạo trục là thép C45 thường hóa hoặc tôi cải thiện

Có σ b= 600MPa, ứng suất xoắn cho phép [τ]= 30MPa, ứng suất cho phép[σ]=63MPaσ]=63MPa]=63MPa

Gọi đường kính trục số 2 là d

Đường kính của trục được tính theo 2 chỉ tiêu là độ bền xoắn và bền uốn

Các thông số đầu vào:

0.29 =40(rad / s

2

).Tại thời điểm kết thúc quá trình khởi động:

θ1=ω1.t +1

2ε1 t2 =3,4 (rad )

θ2=ω2.t +1

2ε2 t2=5 (rad)

- Gia tốc hướng tâm a n  2r

- Gia tốc tiếp tuyến a t  r

- Khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay r= 164mm

0,29

Hình 3.14 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 2

Từ biểu đồ momen trên ta tính được momen uốn lớn nhất:

- αM= 0,75

- l= r= 164mm

- Mxmax=41663 Nmm: Mô men uốn

- [σ]=63MPaσ]=63MPa]= 58 tra bảng 10.5 giáo trình TTTKHDĐCK

- Mz= Tmax= 14500Nmm : mô men xoắn

Hình 3.15 Kích thước then bằng trục số 2

Chọn chiều dài then lt= 28mm

Điều kiện bền dập được kiểm nghiệm theo công thức 9.1 giáo trìnhTTTKHDĐCK:

σ d= 2 T

dl (h−t )≤[σ d]

20

σ]=63MPad = 20 Mpa < 100Mpa

 Thỏa mãn điều kiện bền dập

Điều kiện bền cắt được kiểm nghiệm theo công thức 9.2 giáo trình TTTKHDĐCK:

 V: hệ số kể đến vòng nào quay, ở đây ta chọn vòng trong quayV=1.

 kt: hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ, kt = 1

 kđ: hệ số kể đến đặc tính tải trọng dựa vào bảng 11.3TTTKHDĐCK ta chọn kđ= 1,5

 X,Y: hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục Với ổ bi

đỡ chặn một dãy có góc tiếp xúc α = 26o (đối với kiểu 46000) cóX= 0,41, Y= 0,87

- m: bậc của đường cong mỏi đối với ổ bi m=3

Suy ra hệ số khả năng làm việc của ổ là:

 Cd = 0,694.3

√66 = 2,8KN Dựa vào bảng P2.12 TTTKHDĐCK ta chọn ổ bi đỡ chặn một dãy cỡtrung hẹp, kí hiệu ổ 46304 có C= 14 kN

Hình 8.3 Ổ bi đỡ chặn 1 dãy 46304

Phương trình lagrange cho cơ hệ có dạng:

Từ đó, ta tính được momen cần thiếtT1, T2 lên trục khâu 1 và 2 khi kết thúc khoảngthời gian khởi động :

Ta đã biết các số liệu sau:

m2=4.5 (kg), m3= 2.5 (kg) - khối lượng khâu 2 và khâu 3

L1=a1 = 250m m = 0.25m, l2 = a2 = 350 mm =0.35 m

Thay số, ta được:

T2 = 17,49 (Nm)Với truyền động cho khâu 1 và 2, ta sử dụng 2 bộ truyền bánh răng trụ , sử dụng ổlăn

- η đ = 0,97 - Hiệu suất bộ truyền đai răng

- η ol = 0,99 - Hiệu suất 1 cặp ổ lăn

Hình 3.17 Bảng lựa chọn động cơ khâu 2

Từ các số liệu trên ta lựa chọn động cơ của hãng PNASONIC có số hiệu:

3.2.6 Tính chọn bộ truyền động đai răng.

a Xác định mođun và chiều rộng của đai

Xác định môđun m

m = 35.√3 P2

n2

P2 = 212 W = 0,212 KW– công suất trên bánh đai chủ động

n2 = 222 vòng/ phút–tốc độ quay của bánh đai chủ động

 m≈ 3 mm

Tuỳ theo công suất và tốc độ quay của trục mà chọn môđun theo các giá trị tiêu chuẩn:2; 3; 4; 5; 7; 10.

=> Từ bảng số liệu trên ta chon m = 3 => bư ớc răng p = 9,42 mm

X ác định chiều rộng bánh đai

B = b + m = 23 mm

b Xác định các thông số của bộ truyền

Số răng Z 1 của bánh đai nhỏ

Để đảm bảo tuổi thọ cho đai thì số răng của bánh đai nhỏ phải lớn hơn một giá trị tối thiểu cho phép Zmin bởi hai lý do: thứ nhất, số răng bánh đai ít tức là số răng dâyđai ăn khớp với bánh đai ít làm cho tải mà mỗi răng đai phải gánh lớn; thứ hai, số răng bánh đai bé thì đường kính bánh đai bé, dây đai bị uốn nhiều nên chóng hỏng

Số răng tối thiểu Z1 được chọn dựa vào môđun và tốc độ quay của bánh đai nhỏ theo bảng

=> Từ bảng số liệu trên chọn Z1 = 14 răng

Số răng Z 2 của bánh đai lớn

Số răng Z2 của bánh đai lớn được xác định theo tỉ số truyền của bộ truyền sau khi chọn trước

Z1 Z2 = u.Z1

Trong đó u = n1/n2 = Z2 /Z1 = 2 là tỉ số

n1, n2 lần lượt là tốc độ vòng của bánh đai chủ động và bị động

=> Z2 = 28 răng

=> Đường kính bánh đai: d1 = m.z1 = 42 mm, d2 = m.z2 = 84 mm

Khoảng cách trục A và số răng dây đai

Hình 3.18 Sơ đồ tính toán khoảng cách trục

Đường kính ngoài của bánh đai: d a 1=m z1−2 δ=41,2 mm

d a 2=m z2−2 δ=83,2mm

Với δ=0.4 (trabảng )

Góc ôm đai: αM1 = 180 – (m.(Z2-Z1)/a) 57 =153,15 độ

Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh chủ động:

z0=z1. αM1

360=6,02 ≥6 => thỏa mãn điều kiện

c Tính toán kiểm nghiệm đai theo lực vòng riêng:

Với một loại đai cho trước nó chỉ chịu được một lực vòng nằm trong một giới hạn cho phép:

qm - khối lượng 1 mét đai có chiều rộng 1 mm, qm = 0,03kg

kd - hệ số tải trọng động, xác định theo bảng dươi đây, kd = 1,1

 q = 1,1 424/0,2 + 0,03.0,52 = 2,332 N/mm ¿[q] => thỏa mãn điều kiện

3.3 Tính toán thiết kế khâu 1

3.3.1 Tính toán sức bền sơ bộ

Lựa chọn vật liệu:

Thép CT45(khối lượng riêng: ρ=7850¿)

Giới hạn chảy : [σ c]=360 MPa

Thiết kế, tính toán:

Mặt cắt ngang tính toán như hình vẽ

Hình 3.19 Mặt cắt ngang khâu 1

Hình 3.20 Sơ đồ lực trên khâu 1

[σ uốn]=0.8×[σ chảy]=0.8× 360=288 MPa

=> m 1 tt=2,94 kg →σmax1=16,8 MPa => Thỏa mãn bền

Thiết kế khâu 1 dài về 2 phía them 30 mm để khoét lỗ trục

=> m1=3,2 kg

3.3.2 Tính toán lựa chọn kết cấu trục số 1

a) Chọn vật liệu

Chọn vật liệu chế tạo trục là thép C45 thường hóa hoặc tôi cải thiện Có

σ b= 600MPa, ứng suất xoắn cho phép [τ]= 30MPa, ứng suất cho phép[σ]=63MPaσ]=63MPa]=63Mpa

b) Tính toán lựa chọn đường kính trục

Gọi đường kính trục số 1 là d

Đường kính của trục 1 được tính theo chỉ tiêu là độ bền xoắn và bền uốn

Các thông số đầu vào:

- Khối lượng của tải m= 22,4 kg

- Gia tốc hướng tâm a n  2r

- Gia tốc tiếp tuyến a t  r

- Khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay r = 194mm

Sơ đồ tác dụng lực:

Hình 3.21 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 1

Từ biểu đồ momen trên ta tính được momen uốn lớn nhất:

- Mxmax=33609mm: Mô men uốn

- [σ]=63MPaσ]=63MPa]= 58 tra bảng 10.5 giáo trình TTTKHDĐCK

- Mz= Tmax= 24500Nmm : mô men xoắn => M td = 38304 Nmm

89

Từ các số liệu trong Hình 3.17, ta lựa chọn động cơ của hãng PNASONIC có số

3.3.4 Tính chọn bộ truyền động đai răng

Tương tự như khâu 2 ta chọn:

Modun: m = 3 mm

Chiều rộng đai: b = 20 mm

360=6,02 ≥6 => thỏa mãn điều kiện

3.4 Tính toán thiết kế thân Robot – Khâu đế

Mô hình thân robot dạng trụ tròn rỗng

Hình 3.22 Mặt cắt thân Robot Lựa chọn vật liệu:

Gang xám GX12-28 (Khối lượng riêng: ρ gang=7 × 10−6kg /mm3)

Hình 3.22 Sơ đồ tính toán tải trọng khâu 1

=> Thỏa mãn điều kiện bền.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D TRÊN PHẦN MỀM AUTODESK INVENTOR

4.1 Giới thiệu sơ lược phần mềm Autodesk Inventor

Autodesk Inventor được phát triển bởi công ty phần mềm Autodesk_USA, là phần mềm thiết kế mô hình 3D phổ biến hiện nay Đây là phần mềm được phát triển chuyên cho thiết kế các sản phẩm cơ khí, có giao diện trực quan, giúp người dùng thuận tiện khi sử dụng

Những tính năng nổi trội của Inventor:

– Xây dựng dễ dàng mô hình 3D của chi tiết (Part)