ĐỒ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ KHÍ – ROBOT đề tài THIẾT kế ROBOT SCARA 3 bậc tự DO đã nén

“Đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí – Robot” là một học phần bắt buộc trong chương trình Module 3 : Robot - Cơ điện tử, học phần giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế cơ khí

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ ROBOT SCARA 3 BẬC TỰ DO

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Trọng Doanh Sinh viên thực hiện : Trần Lam Trường

MSSV: 20170955 Lớp: CK.CĐT.04 - K62

Hà Nội, tháng 1 năm 2021

đang phát triển rất mạnh mẽ và đặc biệt ở các nước có nền kinh tế phát triển, đã góp phần mang lại hiệu quả kinh tế cao Việc nghiên cứu chế tạo robot công nghiệp để ứng dụng trong sản xuất là rất cần thiết

Với sự ra đời của robot đã thay thế cho con người khi làm việc giúp cho việc thực hiện các công việc đòi hỏi độ chính xác cao mà con người khó có thể làm được Việc sử dụng robot công nghiệp trong các nhà máy sản xuất đã làm tăng năng suất, nâng cao chất lượng của sản phẩm Nhận thấy vai trò và tầm quan trọng của robot như vây, ở nước ta hiện này, robot đang được đầu tư nghiên cứu rất nhiều, đặc biệt ở các trường đại học trong đó có Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

“Đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí – Robot” là một học phần bắt buộc trong chương trình Module 3 : Robot - Cơ điện tử, học phần giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế cơ khí của một hệ thống Robot cơ bản, ứng dụng phần mềm CAD 2D/3D,

mô phỏng nguyên lý hoạt động robot, giúp cho sinh viên nắm vững được các kiến thức

cơ bản của các học phần và làm quen với nhiệm vụ của người kỹ sư Có thể nói đây là học phần không thể thiếu được đối với sinh viên chuyên ngành Cơ điện tử

Được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của TS Nguyễn Trọng Doanh, em đã

hoàn thành đề tài được giao “Thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do” Bởi thời gian và kiến thức có giới hạn, sẽ không tránh khỏi những sai sót ngoài ý muốn Do vậy em rất mong được sự chỉ bảo và sự đóng góp ý kiến của thầy để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn của TS Nguyễn Trọng Doanh đã giúp

em hoàn thành đề tài này

Hà Nội, tháng 1 năm 2021 Trường

Trần Lam Trường

CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA 6

1 Giới thiệu về Robot SCARA 6

2 Một số loại Robot SCARA 7

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 8

1.1 Nhiệm vụ thiết kế 8

1.2 Các thành phần kết cấu của Robot 8

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 10

2.1 Động học Robot SCARA 10

2.2 Động lực học Robot SCARA 20

2.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp 26

2.4 Tính toán, thiết kế khâu 3 28

2.5 Tính toán thiết kế khâu 2 53

2.6 Tính toán thiết kế khâu 1 62

2.7 Tính toán thiết kế khâu đế cố định 69

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 71

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

SCARA

1 Giới thiệu về Robot SCARA

Từ viết tắt SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm

Năm 1981, Sankyo Seiki , Pentel và NEC đã trình bày một khái niệm hoàn toàn mới về robot lắp ráp Robot được phát triển dưới sự hướng dẫn của Hiroshi Makino , giáo sư tại Đại học Yamanashi Robot được gọi là Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc, SCARA Cánh tay đòn của nó cứng theo trục Z và dễ uốn theo trục XY, cho phép nó thích ứng với các lỗ trên trục XY

Nhờ bố cục khớp trục song song của SCARA, cánh tay hơi tuân theo hướng

XY nhưng cứng theo hướng 'Z', do đó có thuật ngữ: Tuân thủ có chọn lọc Điều này thuận lợi cho nhiều kiểu thao tác lắp ráp, tức là lắp chốt tròn vào lỗ tròn mà không cần ràng buộc

Thuộc tính thứ hai của SCARA là bố cục cánh tay liên kết hai khớp nối tương

tự như cánh tay của con người, do đó thuật ngữ thường được sử dụng, Articulated Tính năng này cho phép cánh tay mở rộng vào các khu vực hạn chế và sau đó thu lại hoặc "gấp" lại Điều này thuận lợi cho việc chuyển các bộ phận từ ô này sang ô khác hoặc cho các trạm xử lý xếp / dỡ được bao bọc

SCARA thường nhanh hơn các hệ thống robot Descartes tương đương Giá treo bệ đơn của họ yêu cầu một dấu chân nhỏ và cung cấp một hình thức lắp dễ dàng, không bị cản trở Mặt khác, SCARA có thể đắt hơn các hệ thống Descartes tương đương và phần mềm điều khiển yêu cầu chuyển động học nghịch đảo cho các chuyển động nội suy tuyến tính Tuy nhiên, phần mềm này thường đi kèm với SCARA và thường minh bạch đối với người dùng cuối

2 Một số loại Robot SCARA

Robot SCARA Denso HM-G Robot SCARA Kuka

Robot SCARA Fanuc SR-6iA Robot SCARA Epson

Hình 0.1 Các robot SCARA điển hình

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ

z (mm)

Độ chính xác lặp

Vận tốc lớn nhất Chu

kỳ thời gian (s)

Chú ý

(x, y) (mm)

z (mm)

Khâu

1 (°/s)

Khâu

2 (°/s)

Khâu

3 (mm/s)

Tốc độ tổng hợp (mm/s)

20 850 400 ±0,02 ±0,01 450 667 2780 11480 0,31 DENSO

Series

HMG-1.2 Các thành phần kết cấu của Robot

Các khâu chính

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

➢ Thân robot: Là khâu cố định, đặt thẳng đứng giữ robot cố định khi làm việc, gắn với khâu động 1 qua khớp quay 1 với trục z01 thẳng đứng

➢ Khâu 1: Khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứng trong suốt quá trình làm việc của robot, có khả năng quay xung quanh trục z01 qua khớp quay 1

➢ Khâu 2: Khâu động có khả năng quay trong mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp quay 2 nối với khâu 1

➢ Khâu 3: trục vít me - đai ốc bi (trục vít tịnh tiến, đai ốc quay)

Hệ dẫn động

Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp

đều là thẳng đứng

➢ Khâu quay 1, 2: hệ bánh răng (hộp giảm tốc)

➢ Khâu 3: khâu tịnh tiến (trục vít me - đai ốc bi), truyền động đai răng

➢ Động cơ truyền động

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ

THỐNG CƠ KHÍ

2.1 Động học Robot SCARA

Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg

Sử dụng phương pháp Denavit-Hartenberg để giải bài toán động học robot

Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg:

Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA 3 bậc tự do

Bảng D-H và các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

1

q q

2 2 2 2

1 2

2

Thiết lập phương trình động học robot

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác

Lấy gốc tọa độ thiết lập trên khâu thao tác O3 trùng với E Sử dụng góc Cardan xác định hướng vật rắn, gọi p là vectơ tọa độ định vị khâu thao tác

cos cos cos sin sin

E E E T

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất biểu diễn trang thái khâu thao tác có thể xác định được từ cấu trúc động học của robot

Phương trình động học robot nhận được trong dạng ma trận như sau:

Giải bài toán động học thuận

Đối với bài toán động học thuận, vị trí, vận tốc, gia tốc các biến khớp xem như đã biết, cần tìm vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định

Vị trí của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định O x y z0 0 0 0 được xác định bởi các tọa

độ thao tác gồm các tọa độ định vị điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác

Chú ý: Từ nay, để đơn giản các biểu thức, ta quy ước sin = s, cos = c

Ví dụ : sin( )q1 =s1,cos( )q1 =c1,sin(q1+q2)=s12,cos(q1+q2)=c12

Xác định các tọa độ định vị điểm tác động cuối:

Các tọa độ định vị điểm tác động cuối được xác định bằng cách so sánh các phần tử

ở hai vế của hệ phương trình động học dạng ma trận (*), ta được:

( )

E E E

E E E

Hay vị trí điểm cuối tay kẹp:

Xác định hướng của khâu thao tác

Sử dụng ma trận xác định hướng của khâu thao tác là ma trận Cardan, so sánh hai vế

Hướng của khâu thao tác có thể xác định bằng cách đối chiếu 3 phần tử không cùng

hàng (cột) giữa hai ma trận quay:

Hệ (I) chính là hướng của khâu thao tác cuối được biểu diễn theo 3 góc Cardan

Vận tốc dài điểm cuối, gia dài tốc điểm cuối, vận tốc góc các khâu

Vận tốc dài điểm tác động cuối:

Giải bài toán động học ngược

Bài toán động học ngược có ý nghĩa rất quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của robot Bởi vì trong thực tế thường cần điều khiển robot sao cho tay kẹp (khâu thao tác) di chuyển tới các vị trí nhất định trong không gian thao tác theo một quy luật nào đó Đối với bài toán động học ngược, quy luật chuyển động của khâu thao tác (các tọa độ định vị) đã biết, cần xác định các tọa độ khớp (biến khớp) Bài toán động học ngược có thể giải bằng nhiều phương pháp khác nhau Ở đây, em xin trình bày phương pháp Giải tích

Với động học ngược vị trí cho robot 3 bậc tự do, ở trường hợp này là Robot lắp ráp Đầu vào cần xác định đó là x E y E z E

E E

E E

2 2

sin( )cos( )

E x E

E y

0,5 cos( ) sin( ) 0,35

0,3725arccos

2.2 Động lực học Robot SCARA

Dựa vào yêu cầu của đề bài, em xin đưa ra sơ đồ động học cho robot sẽ thiết kế:

Hình 2.2 Hệ tọa độ khối tâm robot SCARA

Để tính toán động lực học Robot, ta sẽ thiết lập phương trình vi phân chuyển động của Robot Phương trình vi phân chuyển động của Robot được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II có dạng tổng quát như sau:

kt i

Với: T - Động năng của Robot

 - Thế năng của Robot

qi - tọa độ suy rộng thứ i

Qikt - Lực suy rộng của các lực không thế ứng với tọa độ suy rộng qi

Trong tính toán thiết kế robot người ta thường sử dụng dạng ma trận của phương trình Lagrange loại II để thuận lợi trong sử dụng các công cụ toán học và tiến hành

mô phỏng trên máy tính Phương trình vi phân chuyển động của Robot có dạng:

Với khớp quay thì τi là ngẫu lực có momen Mmi

Với báo cáo này, em thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot dạng ma trận

a l r

1 z1

Ma trận Jacobi quay:

(0) 2 2

2 z2

3 z3

Vậy ma trận khối lượng M được xác định:

Lực suy rộng của các lực không thế Q

Trong nội dung đồ án, Robot được coi là mô hình lý tưởng, do đó bỏ qua lực ma sát, lực cản nhớt Lực không thế ở đây chỉ bao gồm lực do vật tác động lên khâu thao tác

cuối Xét trường hợp tổng quát với lực và momen có giá trị:

00

2.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp

Hình 2.3 Quy luật vận tốc hình thang

Luật chuyển động khâu 1

Tham số đầu vào:

Thời gian gia tốc t 1ibằng thời gian giảm tốc t 1 f và tương đương 30% thời gian chu

1

2 1

1,05( )0,315( )

Luật chuyển động khâu 2

Tham số đầu vào:

2 2

0,63( )0,189( )

Luật chuyển động khâu 3

Tham số đầu vào:

Hành trình: S3 =400(mm)=0, 4( )m .

Tốc độ tối đa: v3 max =2780(mm s/ )=2,78(m s/ ).

Thời gian gia tốc t 3ibằng thời gian giảm tốc t 3 f và tương đương 30% thời gian chu

3

2 3

0, 21( )0,063( )

Hình 2.4 Mô hình trục vít me - đai ốc bi

Tùy dạng chuyển động của trục vít và đai ốc mà có thể chia thành các loại:

➢ Trục vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định

➢ Trục vít tịnh tiến, đai ốc quay

➢ Trục vít quay, đai ốc tịnh tiến

➢ Trục vít cố định, đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến

Công thức liên hệ giữa vận tốc tịnh tiến của trục vít và tốc độ quay của đai ốc:

Z60000

Thép hợp kim kết cấu 40X được sử dụng trong các bộ phận nặng (trục, trục bánh răng, pít tông, thanh, trục khuỷu và trục cam, vòng, trục chính, chân trôi, bạt, bánh răng, bu lông, nửa trục, ống lót, ốc vít, v.v.) Thép crom 40X cũng được sử dụng trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng, và sản phẩm thép được sử dụng trong đường ống, bể chứa và sản xuất khác

Đồ thị vận tốc có dạng hình thang, tốc độ ban đầu bằng 0 với gia tốc là hằng số ở

cả 2 giai đoạn khởi động và hãm (thời gian tăng tốc và giảm tốc xấp xỉ 30% thời gian 1 vòng chu kỳ)

a = m s Theo phương trình động lực học:

Tính toán sơ bộ đường kính ren trong của vít theo độ bền kéo:

Tính toán đường kính ren trong d 1 :

1

4.1,3

a k

F d

 

Trong đó:

+ [𝜎𝑘] là giới hạn bền kéo của thép 40CrMn, có giới hạn bền kéo [𝜎𝑘] = [𝜎𝑐ℎ]/3

Tính toán thông số bộ truyền:

Hình 2.6 Các kích thước bộ truyền vít me bi Đường kính bi:

p D

b

D K Z

d

Với số vòng ren làm việc là K = 2,3 Chọn Zb = 62 (viên)

Số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc không nên quá 2 – 2,5 vòng, nếu không

sẽ làm tăng sự phân bố không đều các tải trọng cho các vòng ren Số bi trên các vòng ren làm việc Z b =D K d tb / b −1 ; với K là số vòng ren làm việc

Nếu số bi lớn hơn 65 thì nên giảm bớt bằng cách tăng đường kính bi

(Trích giáo trình “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 – Trịnh Chất”)

Khe hở hướng tâm:

o

f d

Hiệu suất lý thuyết biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:

Hình 2.7 Trục vít me bi loại SLT/TLT Rotating nuts

Chọn trục vít me bi cán dài có đai ốc quay (SLT/TLT rotating nut) với đường kính danh nghĩa 25(mm)

Khối lượng của trục vít me bi:

2 0

+ d0 = 25(mm) - đường kính danh nghĩa

+ L=400(mm) - chiều dài trục vít

2 _

Tính chọn động cơ cho trục vít me - đai ốc bi

Theo nhiệm vụ thiết kế, khâu 3 của robot có thể đạt tới vận tốc lớn nhất

3 max 2780( / )

lớn nhất lẫn momen xoắn và công suất động cơ đều được thiết kế không tải Như vậy khối lượng khâu 3 chỉ bao gồm khối lượng trục vít me và khối lượng tay kẹp

n

Zp

=Trong đó: + v3 max =2,78(m s/ ) là tốc độ lớn nhất của trục vít me

3 3

9550

dc

p

T n W



=Trong đó: + T3 =0,86(Nm) là momen xoắn của trục vít me

+ n3 =6672(rpm) là tốc độ quay của đai ốc

+ p =0,898 là hiệu suất thực của trục vít me

Từ các thông số trên, ta chọn động cơ truyền động cho trục vít me là động cơ AC Servo Motor BPTA007GCA6D1, công suất 750W, khối lượng 2,54kg

Hình 2.9 Động cơ servo BPTA007GCA6D1

Tính chọn cơ cấu truyền động khâu 3

Trong đồ án này, em sử dụng cơ cấu truyền động cho khâu 3 là đai răng Do truyền lực bằng ăn khớp, truyền động đai răng có những ưu điểm: Không có trượt, tỉ số truyền lớn (u ≤ 12, đôi khi u < 20), hiệu suất cao, không cần lực căng ban đầu lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ nhỏ

Xác định mođun và chiều rộng của đai

Mođun được xác định theo công thức:

1 3 1

m

n

Trong đó: + P - công suất trên bánh đai chủ động, lấy 1 P1 =W dc3 =0,75(kW)

+ n - số vòng quay của bánh đai chủ động Chọn tỷ số truyền u = 1:2, 1

Hình 2.10 Các thông số của đi răng

Theo Bảng 4.27 (trang 68, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một – Trịnh

Chất, Lê Văn Uyển) Chọn mođun m=3(mm), bước đai p=9, 42(mm)

Chiều rộng đai:

d

b= m

Trong đó: d =6 9 là hệ số chiều rộng đai, chọn giá trị nhỏ khi lấy mođun tiêu

chuẩn lớn hơn m tính toán và lấy giá trị lớn trong trường hợp ngược lại

Tiêu chuẩn hóa ta chọn theo bảng sau

Hình 2.11 Chiều rộng đai răng b

Từ bảng trên, với mođun m=3(mm), ta chọn chiều rộng đai b=16(mm)

Xác định các thông số của bộ truyền

Số răng của bánh đai chủ động được chọn theo Bảng 4.29 (trang 70, Tính toán thiết

kế hệ dẫn động cơ khí, tập 1 - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai

Hình 2.12 Số răng của bánh đai nhỏ z 2

Do tỷ số truyền lựa chọn là 1:2 nên bánh đai chủ động là bánh lớn, bánh đai bị động

Số răng của bánh đai chủ động:

z = z =  =

Hình 2.13 Sơ đồ tính toán khoảng cách trục Khoảng cách trục:

Trị số z tính được cần làm tròn đến giá trị gần nhất trong Bảng 4.30 (trang 70, d

Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí, tập một - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển)

Hình 2.14 Chiều dài đai răng l d

84

d =m =  = mm d =m =  = mm Đường kính ngoài của bánh đai:

Với δ = 0,6(mm) là khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình lớp chịu tải

Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh chủ động:

0 1 1/ 360o

z =zTrong đó: 1 - góc ôm trên bánh chủ động

z  => thỏa mãn điều kiện

Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng:

Với P1 =0,67(kW) - công suất bánh chủ động

Vậy đai đủ bền về lực vòng riêng

Lực căng đai ban đầu:

Lựa chọn cơ cấu căng đai

Sử dụng bộ căng đai tự động Rosta

Hình 2.15 Bộ căng đai Rosta

Những ưu điểm khi sử dụng bộ căng dây đai Rosta:

Truyền momen xoắn ổn định, tác động thân thiện tới đai, xích truyền động, đảm bảo tần suất bảo trì, căn chỉnh là thấp nhất, tự động điều chỉnh lực căng, độ bền cơ cấu cao

Với lực căng đai ban đầu F0 =29,6( )N chọn cơ cấu SE 11-G

Hình 2.16 Thông số bộ căng đai SE 11-G