Nghiên cứu phương pháp dẫn động robot hàn di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG VĂN ĐÔNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÁY Hà Nội 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐẶNG VĂN ĐÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN ĐỨC TRUNG PGS.TS PHAN BÙI KHƠI Hà Nội - 2014 CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc LỜI CAM ĐOAN Tơi là: ĐẶNG VĂN ĐƠNG Nơi cơng tác: Khoa Công nghệ Hàn, Trường cao đẳng nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc Tên đề tài: Nghi n cứu phư ng ph p n động ro ot hàn i động Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Xin cam đoan, luận văn riêng Các số liệu kết trình bày luận văn phát triển chưa công bố tài liệu Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Người viết ĐẶNG VĂN ĐÔNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT q1, q2, q3 Chuyển động tịnh tiến q4 Chuyển động quay f số bậc t robot n số khâu robot bao gồm giá cố định  số bậc t vật r n không chịu liên kết không gian làm việc robot fi số bậc t kh p thứ i g t ng số kh p cấu fc số liên kết thừa fr số bậc t thừa WMR  hệ số tỷ lệ Ai Ma trận mơ tả vị trí hư ng khâu i đối v i khâu i-1 Ai1 Ma trận nghịch đảo ma trận i 1 i 1 Welding Mobile Robot Ci Ma trận cosin hư ng CiT Ma trận chuyển vị i 1 i 1 i 1 Ai Rot(x,φ Ma trận cosin hư ng có quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ x góc φ Rot(y,ψ) Ma trận cosin hư ng có quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ y góc ψ Rot(z,θ) Ma trận cosin hư ng có quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ z góc θ Trans(a, Tịnh tiến dọc trục tọa độ x đoạn a, theo trục tọa độ y đoạn b,c) b, theo trục tọa độ z đoạn c An Ma trận xác định vị trí khâu thao tác n Ak Ma trận xác định vị trí hệ tọa độ g n v i khâu thao tác điểm tác động cuối hệ tọa độ khâu cuối n D-H Denavit-Hartenberg MỤC LỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ BẢNG HÌNH LỜI MỞ ĐẦU 10 Chư ng 12 CẤU TRÚC ROBOT HÀN DI ĐỘNG 12 1.1 Cấu trúc chung ro ot hàn: 12 1.1.1 Robot hàn 13 1.1.2 Bộ điều khiển 14 1.1.3 Nguồn dẫn động 15 1.1.4 Súng hàn 16 1.1.5 Nguồn điện 17 1.1.6 Bộ làm súng hàn .17 1.1.7 Bộ cấp dây 18 1.1.8 Khung hàn, tay hàn .19 1.1.9 Bộ định tâm, cảm biến 20 1.2 Kết cấu khí robot hàn di động 22 1.3 C cấu d n động ro ot hàn i động .24 ROBOT HÀN DI ĐỘNG 28 2.1 Khảo t động h c ro ot hàn i động 28 2.1.1 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot .28 2.1.2 Phương pháp Denavit-Hartenberg .31 2.1.3 Ma trận biến đổi tọa độ Denavit-Hartenberg 34 2.1.4 Ma trận trạng thái khâu thao tác theo dây chuyền động học 36 2.1.5 Ma trận trạng thái khâu thao tác theo u cầu cơng nghệ .36 2.1.6 Phương trình động học Robot 38 2.1.7 Khảo sát Động học Robot MWR .38 2.2 Khảo sát động l c học robot hàn di động 44 2.2.1 Phương trình động lực học 44 2.2.2 Phương pháp tính tốn đại lượng động lực học Robot 46 2.2.3 Các toán động lực học Robot MWR 50 2.3 Ch n phư ng ph p n động c c ộ tru ền động .50 Chư ng 3: THIẾT KẾ C CẤU DẪN ĐỘNG CỦA ROBOT HÀN DI ĐỘNG 52 3.1 Tính tốn động học động l c học Robot PWR: 52 3.1.2 Tính toán động l c học .63 3.2 T nh ch n động c n động .66 3.2.1 Xác định tổng lực cản tác dụng lên Robot di chuyển .66 3.2.2 Xác định công suất cần thiết, lựa chọn động hộp giảm tốc .68 3.3 T nh to n thiết ế c c ộ tru ền động 70 3.3.1 Tính tốn truyền bánh .70 3.3.2 Tính tốn thiết kế tr c cho truyền .81 3.3.3 Thiết kế truyền vít me - đai ốc 84 KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ BẢNG Bảng tham số: 40 Bảng 4-1: Bảng tham số động l c học Robot 48 Các thơng số kích thư c truyền bánh cơn:75Error! Bookmark not defined HÌNH Hình 1.14 Khâu 25 Hình 1.15 Khâu 26 Hình 1.16 Khâu 26 Hình 3.1 Quỹ đạo chuyển động khâu thao tác 52 Hình 3.2 Vị trí điểm tác động cuối theo phương x 53 Hình 3.3 Vị trí điểm tác động cuối theo phương y 53 Hình 3.4 Vị trí điểm tác động cuối theo phương z 54 Hình 3.5 Vận tốc theo phương x 54 Hình 3.6 Vận tốc theo phương y 55 Hình 3.7 Vận tốc theo phương z 55 Hình 3.8 Gia tốc đầu hàn theo phương x 56 Hình 3.10 Gia tốc đầu hàn theo phương z 57 HÌnh 3.11 Quỹ đạo đầu hàn 58 Hình 3.12 Quỹ đạo khâu 59 Hình 3.13 Quỹ đạo khâu 59 Hình 3.14 Quỹ đạo khâu 60 Hình 3.15 Quỹ đạo khâu 60 Hình 3.16 Vận tốc khâu 61 Hình 3.17 Vận tốc khâu 61 Hình 3.18 Vận tốc khâu 62 Hình 3.19 Gia tốc khâu 62 Hình 3.20 Gia tốc khâu 63 Hình 3.21 Momen động tác dụng lên khâu 64 Hình 3.22 Momen động tác dụng lên khâu 64 Hình 3.23 Momen động tác dụng lên khâu 65 Hình 3.24 Momen động tác dụng lên khâu 65 Hình 3.25 Sơ đồ đặt l c lên khâu Robot 66 Hình 3.26 Động dẫn động Robot HC-KFS23 69 LỜI MỞ ĐẦU Cùng v i s phát triển khoa học kỹ thuật, ngành điều khiển t động hóa có bư c tiến quan trọng Q trình góp phần khơng nhỏ vào việc tăng cường suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng độ đồng chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc người, đặc biệt số cơng việc có độ an tồn thấp, có tính độc hại cao…Việc sử dụng tay máy robot phục vụ công nghiệp ph biến từ nhiều năm trư c gi i chất lượng suất đạt Nhưng b t đầu, việc sử dụng hạn chế giá thành việc điều khiển Ngày nay, v i s phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, hạn chế phần kh c phục, tay máy robot thể vai trò ngày l n Trong tương lai, tay máy công nhân nhà máy, xí nghiệp, tránh cho người khỏi môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm Lượng robot công nghiệp bán hàng năm l n, chủ yếu từ nư c: Nhật, Đức, Mỹ… Ở nư c ta nay, nhu cầu sử dụng robot b t đầu gia tăng sở sản xuất đủ khả trang bị cho sở vật chất đại Nhiều nơi sử dụng robot thay cho sức lao động người, phần l n robot hàn l p ráp Các viện trường đại học có nhiều nghiên cứu thành cơng đủ khả chế tạo tay máy phục vụ cho công nghiệp Điều cho thấy xuất công nghiệp robot tương lai Công nghệ hàn t động v i robot ứng dụng nhiều ngành công nghiệp nư c công nghiệp phát triển Hoa Kỳ, Nhật Bản, CHLB Đức, Hàn Quốc,….và gần nư c khu v c Đông Nam Á Đặc biệt ngành hàn robot sử dụng nhiều, để giải phóng sức lao động cho người, tăng độ xác cơng nghiệp hóa, đại hóa ngành khí việc nghiên cứu, ứng dụng đưa robot hàn t vào sử dụng đáp ứng cho ngành vấn đề cấp thiết 10 Hình 3.27a Sơ đồ đặt l c, biểu đồ mơ men trục 82 Hình 3.27b Sơ đồ đặt l c, biểu đồ mô men trục Tương t v i u1 = u2 = Ta có: T2 = T1.br.u1; T3 = T4 = T1br2/2.u1.u2 Do đường kinh sơ trục là: d1 = d2 = 20 mm Khoảng cách điểm đặt l c l 11 =l21 = l22 = 60 mm 83 Xác định l c từ chi tiết quay tác dụng lên trục Ft1 = Ft2 = 2T1/dm1 = 2.74967,5/52,3=2866,826 N Fr1 = Fa2= Ft1.tgcos1 = 2866,826.tg200cos450 = 738 N Fa1 = Fr2= Ft1.2866,826.tgsin1 = 2866,826.tg200sin450 = 738 N Xác định đường kính chiều dài đoạn trục + Biểu đồ mômen uốn Mkx Mky mặt phẳng zOy zOx biểu đồ mômen xo n Mxo n v i trục vẽ hình 3.1 biểu đồ ghi giá trị tuyệt đối mômen ứng v i tiết diện thứ j Trên biểu đồ ghi giá trị tuyệt đối mômen ứng v i tiết diện trục + Mômen tương đương M tđj tiết diện j, M tdj  M 2xj  M 2yj  0,75Tj2 , Nmm + Đường kính trục tiết diện j, theo công thức d j  M tdj /(0,1. ) , Nmm Trong đó: [] – ứng suất cho phép chế tạo trục, [] = 70 MPa; Xuất phát từ yêu cầu độ bền, l p ghép cơng nghệ ta chọn đường kính đoạn trục sau hình 3.1 d11 =20 mm, d21 = 20 mm, d22 = 20 mm Kết luận chương 3: Trong chương 3, tác giả áp dụng giải toán động học thuận, ngược toán động l c học robot hàn di động vào trường hợp cụ thể từ tính chọn động truyền cho robot 3.3.3 Thiết ế ộ tru ền v t me - đai ốc Bộ truyền sử dụng cho khâu khâu truyền vít me – đai ốc Vì ta th c tuần t bư c tính tốn thiết kế cho truyền vít me- đai ốc khâu 2, cịn khâu tính tương t 84 Khâu 2: Hình 3.28 Sơ đồ l c tác dụng lên truyền vít me-đai ốc khâu R1,R2: Phản lực ; P1: Trọng lực vít me khâu 2; P2: Trọng lực động vít me khâu ; M34: Momen uốn khâu khâu gây 85 Theo sơ đồ l c tác dụng , ta thấy truyền khâu chịu tác dụng thành phần l c sau: P1=mtv2.g=3.9,81=29,43 N P2=(mdc3+mtv3).g=(3+3).9,81=58,86 N M34= (m3+m4).g.x=(5+2).9.81.0.075=5.15Nm=5150Nmm V i mtv2=3kg ; mdc3=3kg; mtv3=3kg; m3=5kg; m4=2kg, x=0.075m (khoảng cách điểm đặt l c trọng l c khâu 3,4 giá đỡ ) Tuy nhiên, momen uốn M34 không ảnh hưởng l n đến trục vít tác dụng tr c tiếp uốn lên giá đỡ Vì khâu chịu tác dụng l c dẫn động không đáng kể nên ta lấy thông số l c tác dụng theo khâu để tính tốn a Chọn vật liệu vít thép C45 , đai ốc gang chống ma sát nên áp suất cho phép chọn [p] = 7÷9 MPa Ta lấy [p]=7MPa b Ren hình thang, hệ số  h  0,5 c Chọn đai ốc nguyên nên  H  1,8 d Xác định đường kính vít theo điều kiện bền mịn d2  F 666 = 5.8(mm)   1,8.7.0,5 3,14.1,8.7.0,5 Theo tiêu chuẩn ta chọn đường kính ren d=12 mm, có bư c ren ps=5 mm đối v i đường kính chọn e Chọn bư c ren phụ thuộc vào điều kiện t hãm    ' Đối v i vít bơi trơn f’=0,1 V i bư c ren cho bư c ren l n, điều kiện t hãm khó đảm bảo, nhiên chọn giá trị bư c ren l n hiệu suất cao Tốt nên chọn bư c ren ps=5 mm, d2=6 mm khả t hãm cao hiệu suất vừa phải Chọn ren mối v i z1=1 f Số vòng ren đai ốc: z F 666   2,02 mm d h p  3.14 6.2,5.7 V i h   h ps  0,5.5  2,5 Chiền cao đai ốc: H=zps=2.02.5=10,1 (mm) 86 Hệ số chiều cao ren   H 10   1,68 nằm gi i hạn (1,5÷2,5) cho d2 phép Bảng thơng số: Đường kính ren d, (mm) 12 Bư c ren ps,   arctgf (mm) 5,7  p    arctg  s    d2  0,22 Hiệu suất tg qt  0,9 tg (   ') 0,07 Đường kính ren d2, (mm) g Hiệu suất truyền vít- đai ốc: qt  0,9 tg =0,07 tg (   ') h Kiểm tra độ bền vít đai ốc: - Momen xo n vít: T  F d2 tg (   ')  6433 Nmm - Ứng suất tiếp tiết điện nguy hiểm vít:  T 32T   45,5 MPa W0  d - Ứng suất pháp tiết diện nguy hiểm vít:  4F  23,5 MPa  d 22 Ưng suất tương đương:  td    3  82,6 MPa V i vật liệu vít thép tơi C45, ta chọn gi i hạn chảy σch=320 MPa, ứng suất cho phép (hệ số an toàn s=3): [ ]   ch s  106, MPa Điều kiện bền thỏa σtd=82,6 MPa < [σ]=106,7 MPa i Đường kính đai ốc: D1  4.1,3.F d2    k  4.1,3.666  12 = 12.88mm 3,14.50 87 => chọn D1=15mm Dư i vẽ chi tiết: Hình 3.29 Sơ đồ vẽ l p robot hàn 88 Hình 3.30: Bản vẽ chi tiết bánh cấu truyền động 89 Hình 3.31: Bản vẽ chi tiết bánh trụ cấu truyền động 90 Hình 3.32: Bản vẽ chi tiết cấu truyền động 91 Hình 3.33: Bản vẽ chi tiết trục thứ nhât cấu truyền động 92 Hình 3.34: Bản vẽ chi tiết trục thứ ba cấu truyền động 93 Hình 3.35: Bản vẽ chi tiết trục thứ ba cấu truyền động 94 KẾT LUẬN Sau thời gian học tập nghiêm túc tác giả hoàn thành nội dung v i kết đạt sau: - Cấu trúc chung robot hàn - Kết cấu khí robot hàn di động - Cơ cấu dẫn động robot hàn di động - Khảo sát động học động l c học robot hàn di động - Chọn phương pháp dẫn động truyền động - Tính chọn động dẫn động - Tính tốn thiết kế truyền động Do thời gian trình độ có hạn nên luận văn tác giả ch c ch n cịn nhiều sai sót, mong thầy cho ý kiến quý báu để tác giả hoàn thiện luận văn có nhìn sâu s c vấn đề cịn thiếu sót 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1.] Trinh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, Tập 2, NXB Giáo dục Việt Nam, 2012 [2] Giáo trình Mơ hình hóa Robot hệ điện tử – PGS.TS Phan Bùi Khôi, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2009 [3] Nguyễn Thiện Phúc: Robot công nghiệp, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 [4] Phan Bùi Khôi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh: Tính tốn động học Robot hàn có di động Tuyển tập cơng trình hội nghị học toàn quốc lần thứ VIII [5] Đào Văn Hiệp: Kỹ thuật Robot, NXB Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2004 [6] Phạm Đăng Phư c: Robot công nghiệp, NXB Xây D ng, Hà Nội, 2007 [7] Phạm Việt Hùng, Đào Hồng Bách: Hướng dẫn sử d ng Solidwork thiết kế chiều, NXB Xây D ng, Hà Nội, 2009 96 ... cách từ mỏ hàn đến bề mặt gia cơng - Tư hàn Hình 1.10: Robot hàn di động 21 Để vừa hàn vừa di chuyển người ta dùng robot hàn di động Không giống Robot hàn cố định, robot hàn di động di chuyển... robot hàn gi i thiệu cấu trúc robot hàn di động tác giả nghiên cứu đề tài Chương tác giả trình bày sở lý thuyết tính tốn tốn robot hàn di động 27 Chư ng C SỞ TÍNH TỐN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG ROBOT HÀN DI. .. động trình làm việc robot hàn di động, ta đưa phân tích cấu dẫn động robot sau: Khâu 1: Được dẫn động v i ray dẫn (đóng vai trị khâu Robot) nhờ hệ thống bánh xe định vị dẫn hư ng, động th c dẫn