Thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do

Hiện nay, khoa học kỹ thuật về robot nói chung và về robot công nghiệp nói riêng 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ *************** ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ – ROBOT ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ ROBOT SCARA BẬC TỰ DO Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Trọng Doanh Sinh viên thực : Trần Lam Trường MSSV: 20170955 Lớp: CK.CĐT.04 - K62 Hà Nội, tháng năm 2021 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, khoa học kỹ thuật robot nói chung robot cơng nghiệp nói riêng phát triển mạnh mẽ đặc biệt nước có kinh tế phát triển, góp phần mang lại hiệu kinh tế cao Việc nghiên cứu chế tạo robot công nghiệp để ứng dụng sản xuất cần thiết Với đời robot thay cho người làm việc giúp cho việc thực cơng việc địi hỏi độ xác cao mà người khó làm Việc sử dụng robot công nghiệp nhà máy sản xuất làm tăng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm Nhận thấy vai trò tầm quan trọng robot vây, nước ta này, robot đầu tư nghiên cứu nhiều, đặc biệt trường đại học có Trường Đại học Bách khoa Hà Nội “Đồ án Thiết kế hệ thống khí – Robot” học phần bắt buộc chương trình Module : Robot - Cơ điện tử, học phần giúp cho sinh viên bước đầu làm quen với việc thiết kế khí hệ thống Robot bản, ứng dụng phần mềm CAD 2D/3D, mô nguyên lý hoạt động robot, giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức học phần làm quen với nhiệm vụ người kỹ sư Có thể nói học phần thiếu sinh viên chuyên ngành Cơ điện tử Được hướng dẫn giúp đỡ nhiệt tình TS Nguyễn Trọng Doanh, em hoàn thành đề tài giao “Thiết kế robot SCARA bậc tự do” Bởi thời gian kiến thức có giới hạn, khơng tránh khỏi sai sót ngồi ý muốn Do em mong bảo đóng góp ý kiến thầy để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn TS Nguyễn Trọng Doanh giúp em hoàn thành đề tài Hà Nội, tháng năm 2021 Trường Trần Lam Trường MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA Giới thiệu Robot SCARA Một số loại Robot SCARA CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 1.1 Nhiệm vụ thiết kế 1.2 Các thành phần kết cấu Robot CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN 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 không gian khớp 26 2.4 Tính tốn, thiết kế khâu 28 2.5 Tính tốn thiết kế khâu 53 2.6 Tính tốn thiết kế khâu 62 2.7 Tính tốn thiết kế khâu đế cố định 69 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 71 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SCARA Giới thiệu Robot SCARA Từ viết tắt SCARA viết tắt Selective Compliance Assembly Robot Arm Selective Compliance Articulated Robot Arm Năm 1981, Sankyo Seiki , Pentel NEC trình bày khái niệm hồn tồn robot lắp ráp Robot phát triển hướng dẫn Hiroshi Makino , giáo sư Đại học Yamanashi Robot gọi Cánh tay robot lắp ráp tn thủ có chọn lọc, SCARA Cánh tay địn cứng theo trục Z dễ uốn theo trục XY, cho phép thích ứng với lỗ trục XY Nhờ bố cục khớp trục song song SCARA, cánh tay tuân theo hướng XY cứng theo hướng 'Z', có thuật ngữ: Tuân thủ có chọn lọc Điều thuận lợi cho nhiều kiểu thao tác lắp ráp, tức lắp chốt tròn vào lỗ trịn mà khơng cần ràng buộc Thuộc tính thứ hai SCARA bố cục cánh tay liên kết hai khớp nối tương tự cánh tay người, thuật ngữ thường sử dụng, Articulated Tính cho phép cánh tay mở rộng vào khu vực hạn chế sau thu lại "gấp" lại Điều thuận lợi cho việc chuyển phận từ ô sang ô khác cho trạm xử lý xếp / dỡ bao bọc SCARA thường nhanh hệ thống robot Descartes tương đương Giá treo bệ đơn họ yêu cầu dấu chân nhỏ cung cấp hình thức lắp dễ dàng, khơng bị cản trở Mặt khác, SCARA đắt hệ thống Descartes tương đương phần mềm điều khiển yêu cầu chuyển động học nghịch đảo cho chuyển động nội suy tuyến tính Tuy nhiên, phần mềm thường kèm với SCARA thường minh bạch người dùng cuối ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Một số loại Robot SCARA Robot SCARA Denso HM-G Robot SCARA Fanuc SR-6iA Robot SCARA Kuka Robot SCARA Epson Hình 0.1 Các robot SCARA điển hình ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUN LÝ VÀ THƠNG SỐ KỸ THUẬT 1.1 Nhiệm vụ thiết kế Tải Tầm Hành Độ xác trọng với trình lặp (kg) (mm) trục (x, y) z z (mm) (mm) Vận tốc lớn Chu Chú ý kỳ Khâu Khâu (mm) Khâu Tốc độ thời tổng gian (°/s) (°/s) (mm/s) hợp (s) (mm/s) 20 850 400 ±0,02 ±0,01 450 667 2780 11480 0,31 DENSO HMGSeries 1.2 Các thành phần kết cấu Robot Các khâu Tay robot có bậc tự do, thiết kế khí dạng khớp quay, khớp tịnh tiến ➢ Thân robot: Là khâu cố định, đặt thẳng đứng giữ robot cố định làm việc, gắn với khâu động qua khớp quay với trục z01 thẳng đứng ➢ Khâu 1: Khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứng suốt q trình làm việc robot, có khả quay xung quanh trục z01 qua khớp quay ➢ Khâu 2: Khâu động có khả quay mặt phẳng vng trục thẳng đứng qua khớp quay nối với khâu ➢ Khâu 3: trục vít me - đai ốc bi (trục vít tịnh tiến, đai ốc quay) ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Hệ dẫn động Cấu trúc động học loại tay máy thuộc hệ sinh, có trục quay, khớp thẳng đứng ➢ Khâu quay 1, 2: hệ bánh (hộp giảm tốc) ➢ Khâu 3: khâu tịnh tiến (trục vít me - đai ốc bi), truyền động đai ➢ Động truyền động ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN 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 toán động học robot Thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg: Hình 2.1 Sơ đồ động học robot SCARA bậc tự 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Momen xoắn lớn nhất: Tmax = m2  at  r = 38  15,4  0,25 = 146( Nm) Xác định đường kính trục cấu cyclon sơ bộ: d Tmax 146 =3 = 0.029(m) = 29(mm) 0.2    0.2  30.106 Do hộp giảm tốc cyclon có chức thay cho trục nối hai khâu nên momen uốn mà cấu chịu phải đảm bảo khả chịu uốn dùng với trục Sơ đồ tác dụng lực: Hình 2.28 Sơ đồ lực biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 58 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Momen uốn lớn nhất: M x max = P  l + Flt  a = 38  9,8  0,25 + 1284  0,15 = 285( Nm) Chọn giảm tốc kiểu AF gồm động nối liền giảm tốc RV 59 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Chọn giảm tốc RV-25N (tương đương với AF017N) với khả chịu momen xoắn 1225Nm, tỉ số truyền 41, động Panasonic Servo Minas A6, cơng suất 50W50kW Tính chọn động cho khâu Tương tự khâu 3, động dẫn động khâu thiết kế robot chạy không tải với tốc độ tối đa Theo phương trình động lực học:  = m21 (q )q1 + m22 (q )q2 + c21 (q, q )q1 Với: 60 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 1 a2  m21 (q) = I zz + I zz +  a1a2 cos(q2 ) + m2 +  a2 + a1a2 cos(q2 )  m3   2 m22 (q) = I zz + I zz + a2 m2 + a2 2m3 m  c21 (q, q) =  + m3  a1a2 sin(q2 )q1   Trong đó: + q1 = 1max = 7,85(rad / s ) + q1 = 1max = 25(rad / s ) + q2 =  max = 61,6(rad / s ) thời điểm t = 0,189( s) => q2 =  max  t = 2,2(rad ) + Momen quán tính: I zz = mkhau  l2 / 12; I zz = mvit  r32 / + a1 = 350(mm); a2 = 2l2 = 500(mm); r = d / = 12,5(mm) + Khối lượng đặt khâu 3: m3 = mvit + mtkep = + = 4(kg ) + Khối lượng đặt khâu 2: m2 = mkhau + mdc = 11,8 + 2,54 = 14,34(kg ) Momen xoắn cực đại đặt khớp khâu 2:  max = 115( Nm) Coi hiệu suất truyền động giảm tốc cyclon  = 0,9 Tính tốn cơng suất động cơ: Wdc =  max  n2 115 111 = = 1,48(kW ) 9550   9550  0,9 Động lựa chọn: Động Panasonic Servo Minas A6 công suất 1500W, kích thước mặt bích 80x80, tốc độ lớn 3000 vòng/phút gắn kèm với giảm tốc Khối lượng động giảm tốc kg 61 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 2.6 Tính tốn thiết kế khâu Tính tốn sức bền sơ Lựa chọn vật liệu: Vật liệu lựa chọn: Thép CT45 Đặc điểm: + Khối lượng riêng  = 7850(kg / m3 ) + Giới hạn chảy  c  = 360( MPa) + Mođun đàn hồi E = 2,1  105 ( N / mm ) = 21  1010 ( N / m ) Tính tốn, thiết kế: Chọn mặt cắt ngang khâu có dạng hình chữ nhật Hình 2.29 Mặt cắt ngang khâu Chọn B = 120(mm) , H = 100(mm) , t = 10( mm) Tính tốn tương tự khâu 2, ta thu kết Momen quán tính mặt cắt ngang khâu 1: J x = 3,03  10−6 (m ) 62 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Tổng tải trọng tác dụng lên khâu = Khối lượng khâu + Khối lượng động khâu + Khối lượng toàn khâu 3: Q2* = 11,8 + + 26,54 = 44,34( kg ) Hình 2.30 Sơ đồ tải trọng khâu Độ võng M: L13  P2* P1  yM = +   EJ x  8 Trong đó: + L1 = 350( mm) - tầm với khâu + E = 2,1  105 ( N / mm ) - mođun đàn hồi + J x = 3,03  10−6 (m ) - momen quán tính + P2* = g  Q2* = 434( N ) - trọng lượng khâu 2, đặt lên khâu + P1 = mkhau1  g - trọng lượng khâu Với mkhau1 =  L1 ( HB − hb ) = 8,2(kg )  P1 = 8,2  9,8 = 80( N )  yM = 0,00001(m) = 0,01(mm) y  [f z ] = 0,01(mm) => thỏa mãn điều kiện độ xác lặp trục z Kiểm tra điều kiện ứng suất: Mặt cắt ngang nguy hiểm ngàm Momen uốn lớn nhất: 63 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ M 1max = P2*  L1 + P1  L1 = 166( Nm) Ứng suất uốn lớn nhất:  1max = M 1max y J Với y = CM = 65(mm)   1max = 3,5( MPa) y = −CN = 35(mm)   1max = −1,9( MPa ) Ứng suất uốn cho phép:   =  ch  = 360 = 120(MPa) n Với n = hệ số an toàn   1max    => thỏa mãn điều kiện bền Tính chọn hộp giảm tốc cyclon cho khâu Gia tốc hướng tâm: an =  r Trong đó: +  = 7,85(rad / s) - tốc độ tối đa khâu + r = 0,175(m) - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay  an = 7,852  0,175 = 10,78(rad /s ) Gia tốc tiếp tuyến: at =  r Trong đó: +  = 25(rad / s ) - gia tốc cực đại khâu + r = 0,175(m) - khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay  at = 25  0,175 = 4,375( rad / s ) Khối lượng đặt lên khâu: m1 = mkhau1 + mkhau + mkhau + mdc + mdc + mtkep + mtai = 52(kg ) 64 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Lực quán tính ly tâm lớn nhất: Flt = m1  an = 52  10,78 = 560( N ) Momen xoắn lớn nhất: Tmax = m1  at  r = 52  4,375  0,175 = 40( Nm) Xác định đường kính trục cấu cyclon sơ bộ: d Tmax 40 =3 = 0.0188(m) = 18,8(mm) 0.2    0.2  30.106 Do hộp giảm tốc cyclon có chức thay cho trục nối hai khâu nên momen uốn mà cấu chịu phải đảm bảo khả chịu uốn dùng với trục Sơ đồ tác dụng lực: Hình 2.31 Sơ đồ lực biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 65 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Momen uốn lớn nhất: M x max = P  l + Flt  a = 52  9,8  0,175 + 560  0,15 = 173( Nm) Chọn giảm tốc kiểu AF gồm động nối liền giảm tốc RV 66 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Chọn giảm tốc RV-25N (tương đương với AF017N) với khả chịu momen xoắn 1225Nm, tỉ số truyền 41, động Panasonic Servo Minas A6, cơng suất 50W50kW Tính chọn động cho khâu Tương tự khâu 3, động dẫn động khâu thiết kế robot chạy không tải với tốc độ tối đa Theo phương trình động lực học:  = m11 (q)q1 + m12 (q)q2 + c11 (q, q)q1 + c12 (q, q )q2 Với: 67 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ  a2  a12 m11 (q) = I zz1 + I zz2 + I zz3 + m1 + a1 + + a1a2 cos(q2 )  m2 + a12 + a2 + 2a1a2 cos(q2 )  m3 4   1 a2  m12 (q) = I zz + I zz +  a1a2 cos(q2 ) + m2 +  a2 + a1a2 cos(q2 )  m3   2 m  c11 (q, q) = −  + m3  a1a2 sin(q2 )q2   m  m  c12 (q, q) = −  + m3  a1a2 sin(q2 )q1 −  + m3  a1a2 sin(q2 )q2     Trong đó: + q1 = 1max = 7,85(rad / s ) + q1 = 1max = 25(rad / s ) + q2 = 2 max = 11,64(rad / s ) + q2 =  max = 61,6(rad / s ) thời điểm t = 0,189( s) => q2 =  max  t = 2,2(rad ) + Momen quán tính: I zz1 = mkhau1  l12 / 12; I zz = mkhau  l2 / 12; I zz = mvit  r32 / + a1 = 2l1 = 350(mm); a2 = 2l2 = 500(mm); r = d / = 12,5(mm) + Khối lượng đặt khâu 3: m3 = mvit + mtkep = + = 4(kg ) + Khối lượng đặt khâu 2: m2 = mkhau + mdc = 11,8 + 2,54 = 14,34(kg ) + Khối lượng đặt khâu 1: m1 = mkhau1 + mdc = 8,2 + = 14,2(kg ) Momen xoắn cực đại đặt khớp khâu 1:  1max = 206( Nm) Coi hiệu suất truyền động giảm tốc cyclon  = 0,9 Tính tốn cơng suất động cơ: Wdc1 =  1max  n1 206  75 = = 1,8(kW ) 9550   9550  0,9 68 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Động lựa chọn: Động Panasonic Servo Minas A6 công suất lớn 1800W, kích thước mặt bích 80x80, tốc độ lớn 3000 vòng/phút gắn kèm với giảm tốc Khối lượng động giảm tốc kg 2.7 Tính tốn thiết kế khâu đế cố định Chọn vật liệu thép C45 Độ bền uốn cho phép:   =  ch  = 360 = 120( N / mm2 ) n Thiết kế khâu có dạng trụ rỗng, đường kính d, đường kính ngồi D Với M z max = 166( Nm) - momen uốn lớn khâu Chọn kích thước sau:  L0 = 345(mm)  D = 200(mm)    d = 160(mm)  t = 15(mm) Hình 2.32 Mặt cắt khâu cố định 69 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Kiểm tra điều kiện bền uốn:  uon = M max = Wx M max 166 = = 0,35( MPa) 3 D 0,2  (1 −  )  (1 − 0,84 ) 32 32 [ uon ]  [ ] = 120( MPa) => Thỏa mãn điều kiện bền uốn 70 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN “Thiết kế robot SCARA bậc tự do” đề tài mang tính thực tế cao, mà công nghiệp ngày phát triển, cạnh tranh khơng ngừng địi hỏi, suất chất lượng phải cải thiện nhờ dây chuyền máy móc đại thay lao động chân tay người Như học phần “Đồ án Thiết kế hệ thống khí – Robot”, em tìm hiểu cách xây dựng mơ hình robot SCARA, đồng thời tính tốn thiết kế hệ thống khí cho robot Cơng việc cụ thể hồn thành bao gồm sau: - Tổng quan robot SCARA - Xây dựng kết cấu cho robot - Xây dựng vẽ lắp ráp, chi tiết cho robot - Tính tốn kích thước, kiểm tra bền khâu - Tính chọn truyền vít me - đai ốc bi - Tính chọn hộp giảm tốc, động truyền động, cấu đai truyền động - Tính chọn ổ bi Qua đề tài đây, em biết cách vận dụng kiến thức chuyên môn đào tạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thời gian qua vào thực tế sống với công nghiệp Em học nhiều kỹ làm việc nhóm, giải vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo có ích cho sau Một lần em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình TS Nguyễn Trọng Doanh giúp em hoàn thành đề tài Do giới hạn thời gian kiến thức đồ án này, em giải số vấn đề việc thiết kế robot Ngoài nhiều vấn đề cần phải giải để có sản phẩm robot hồn thiện chúng em mong q thầy bạn đóng góp ý kiến để đề tài hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 71 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo trình, giảng: Trịnh Chất, Lê Văn Uyển Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, tập Nhà xuất Giáo dục Việt Nam Nguyễn Trọng Hiệp Chi tiết máy Nhà xuất giáo dục, 2006 PGS TS Nguyễn Quang Hoàng Bài giảng Robotics Tài liệu khác: Lựa chọn trục vít me - đai ốc bi, vịng bi hãng SKF, nguồn Internet: www.bscindia.com/catalogue/skfballscrew.pdf Lựa chọn hộp giảm tốc hãng RV, nguồn Internet: www.motionusa.com.s3-website-us-east1.amazonaws.com/nabtesco/RV_Series_Full_Catalog.pdf Lựa chọn động servo hãng Panasonic, nguồn Internet: https://industrial.panasonic.com/content/data/MT/PDF/minas-a52_ctlg_e.pdf 72 ... 0,3T3 Gia tốc tăng tốc gia tốc giảm tốc: a3 = v3max v3max = t3i t3 f Kết toán: 1 a3  t3i + v3max (T3 − t3i − t3 f ) + a3  t3 f = S3 2 Giải phương trình ta được:  T3 = 0,21( s)  t3i = t3... tốc khâu a3 = 44, 13( m / s ) Theo phương trình động lực học: 30 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ  = m 33 (q )q3 + m3 g + Fz Trong : m 33 (q) = m3 m3 = mtai... khâu 3: Tọa độ khối tâm OC3 hệ tọa độ 3: uC(1 )3 = l3 0 với l3 = q3 + const khoảng cách từ khối tâm OC3 đến gốc O3 T Bán kính định vị khối tâm OC3: rC(0) =  a2 c12 + a1 c1 a2 s12 + a1 s1 q3 +