V. giới thiệu kết cấu và nguyên tắc hoạt động của các bậc tự
2. Giới thiệu kết cấu của các bậc tự do
2.1 Bậc tự do chuyển động theo trục X
95
Hình 2-27: Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo trục X.
Với chuyển động tịnh tiến theo phơng X đa toàn bộ cánh tay máy cùng di chuyển, bậc tự do đợc bố trí một động cơ M1 lắp thông qua một hộp giảm tốc tỷ số truyển là 1:10 đa ra vận tốc cuối cùng của bậc tự do.
Bậc tự do này bao gồm các kết cấu sau.
- Động cơ M1 - đóng vai trò nguồn động lực có thông số là : P = 0,2Kw; n =1500 vòng/phút.
- Invecter – đóng vai trò điều khiển nguồn động lực động cơ M1. - Thanh răng với thông số là 1860x20x20 mô đun là m=2.
- Bánh răng với thông số là: số răng Z=30, mô đun m=2.
- Hai cảm biến vị trí Cb1 vị trí Home và Cb2 là cảm biến vị trí ngoài cùng.
- 2 thanh trợt đuôi én có tác dụng dẫn hớng cho chuyển động của bậc tự do.
- 4 phiến trợt bi đỡ toàn bộ khối lợng của cánh tay Robot, kết cấu ma sát bi này đã giải quyết vấn để ma sát trong chuyển động của Robot.
96
- Hộp giảm tốc với thông số tỷ số truyền là 1:10.
- Encorder bộ đếm kiểu con chuột có tác dụng điều khiển hành trình của cách tay Robot.
Nguồn động lực của bậc tự do này thì chỉ có một động cơ M1. Động cơ này là động cơ biến tần 3 pha, với các thông số đầu vào nh sau: Công suất 0.2kW, nguồn 220V–3 pha, n=1500 vòng/phút, tần số f = 50/60Hz.
Động cơ M1 có nhiệm vụ đa hệ thống cánh tay máy vào, ra theo phơng trục X, với hành trình làm việc lớn nhất là 1,6m.
Tốc độ của động cơ đợc điều khiển bằng cách thay đổi tần số thông qua bộ biến tần (Inverter). Để thay đổi tốc độ của động cơ ta thay đổi tần số thông qua các phím chọn trên bề mặt của Inverter. ứng với một tần số của Inverter ta có một tốc độ của động cơ. Để đảm bảo cho động cơ làm việc an toàn trên động cơ ngời ta gắn thêm một phanh điện từ. Phanh này đợc nối qua một rơle và đợc điều khiển bởi bộ điều khiển. Khi có tín hiệu điều khiển bộ điều khiển ngắt điện áp của rơle và khi đó dòng 220V vào phanh bị cắt (phanh mở) và động cơ làm việc. Khi hiệu giữa giá trị khoảng cách thực và giá trị khoảng cách cần đạt đợc một giá trị ∆ nào đó (do bộ điếm encorder thực hiện) bộ điều khiển cấp cho rơle một điện áp và khi đó phanh hoạt động, dừng động cơ đúng với yêu cầu.
Ngay dới động cơ là hộp giảm tốc có tác dụng làm giảm tốc độ của trục động cơ sao cho phù hợp tốc độ yêu cầu và thoả mãn với khối lợng cánh tay máy. Hộp giảm tốc có tỷ số truyền là 1:10 tức là tốc độ trục đầu ra của hộp giảm tốc là nđc/10.
Đáp ứng đợc việc di chuyển trên nhờ vào bộ truyền bánh răng thanh răng, bánh răng với các thông số là m=2; Z=30 răng, đợc lắp với trục ra của hộp giảm tốc. Thanh răng với thông số là m=2; kích thớc 1860x20x20. Bộ truyền thanh răng bánh răng này biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của tay máy. Bộ truyền này có thể nói là khả thi nhất, tối u nhất, và đạt hiều quả cao nhất.
97
Hình 2-28. Bộ truyền thanh răng bánh răng
Nói tới chuyển động là nói tới ma sát, để tay máy làm việc thờng xuyên mà không phải bôi trơn, bảo dỡng thì đó là một bài toán bắt buộc phải giải khi thiết kế Robot. Và kết quả của bài toán đã đựơc chứng minh bằng cặp ma sát lăn (Bi) của kết cấu dẫn hớng đuôi én thay bằng ma sát trợt bi.
Việc thay ma sát trợt bằng ma sát lăn do ma sát lăn có một số u điểm hơn hẳn ma sát trợt ở một số điểm sau.
Hình 2-29. Bộ trợt ma sát bi đuôi én.
- Giảm mất mát công suất do ma sát. ổ lăn làm tăng độ nhạy của thiết bị, và đặc biệt có lợi trong các cụm máy yêu cầu dừng và mở máy thờng xuyên
- Giảm chi phí chất bôi trơn, bảo dỡng thuận tiện..
Đó có lẽ là một số u điểm chính mà trong trờng hợp của Robot Hamo rất cần thiết, vì thế mà đó là một kết quả duy nhất của bài toán tối u về công nghệ. Kết cấu của cặp ma sát này cụ thể nh hình dới đây:
98
Khi ăn khớp với thanh trợt thì tạo lên một kết cấu dẫn hớng bi
Riêng kết cấu của bạc trợt này chia làm 3 phần. Trong đó thì đây là phần chính có chứa bi còn lại 2 phần kia dùng để chặn bi và để bôi trơn cho cặp ma sát bi này.
Toàn bộ cánh tay máy di chuyền dọc trục X, đoạn đờng dịch chuyển của bậc tự do này đợc kiểm soát thông qua bộ đếm Encorder.
Bộ đếm Encorder trong Robot Hamo đợc sử dụng để đếm quãng đờng mà cánh tay máy đi đợc. Bộ đếm Encorder đợc gắn trên đế động cơ M1 di chuyển cùng cánh tay Robot, bộ đếm này cấu tạo gồm có 1 đĩa lỗ, 1 đầu phát xung hồng ngoại, 1 đầu nhận tín hiệu hồng ngoại và một mạch khuyếch đại tín hiệu.
99
Từ đó nó đợc coi nh là một nhân tố quan trọng trong quá trình lập trình, cũng nh là điều kiện cần thiết để phanh hãm đảm bảo độ chính xác của cánh tay. Độ chính xác của tay máy phụ thuộc chủ yếu vào bộ đếm này, với lý do đó mà độ chính xác của bộ đếm trở lên rất quan trọng.
Dới đây là sơ đồ cấu tạo của bộ encorder.
Bộ đếm Encorder này đợc thiết kế giống với cấu tạo của con chuột máy tính. Bao gổm một bánh răng ăn khớp với thanh răng truyền chuyển động cho đĩa lỗ.
Đĩa
lỗ này
quay sẽ tạo nên sự gián đoạn các tín hiệu nhận đợc ở đầu thu hồng ngoại (tạo nên tín hiệu xung). Mỗi một lỗ trên đĩa lỗ khi chuyển động sẽ cho ta một xung tơng ứng. Đếm số xung nhận đợc từ đầu thu hồng ngoại, ta có thể xác định đợc số vòng quay của đĩa lỗ, cũng nh xác định đợc quãng đờng dịch chuyển theo trục OX của tay máy bằng cách chuyển đổi tơng ứng giữa số xung và quãng đờng: 1 xung ⇔ 1 cm chiều dài. Từ số xung này mà ta có thể chuyển đổi thành quãng đờng mà tay
100
máy đã dịch chuyển đợc để điều khiển Robot dừng đúng vị trí mà mình mong muốn.
Trên trục X của Robot sử dụng 2 cảm biến vị trí Cb1 và Cb2. Các cảm biến này đều là các cảm biến điện từ có tác dụng dùng để nhận biết vị trí Home và vị trí xa nhất của Robot trong quá trình Robot di chuyển. Hai cảm biến này nhất là cảm biến Home đợc sử dụng nh là một điều kiện cần để thực hiện các điều kiện khác trong công tác lập trình, ngoài ra nó còn có tác dụng nh là một biện pháp an toàn cho Robot khi có sự cố do lập trình gây ra. Robot sẽ dừng tại vị trí này khi nó nhận đợc tín hiệu phản hồi từ cảm biến, tránh cho Robot va đập với các cữ chặn.
2. Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y:
Bậc tự do tịnh tiến theo trục Y đợc thực hiện nhờ chuyển động tịnh tiến khứ hồi của piston trong xylanh, trong đó trục của piston và xylanh trùng với trục Y, xylanh đợc gắn cố định, piston dịch chuyển.
Các chi tiết và cụm chi tiết chính trong bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y: - Xylanh khí nén tác động kép. - Động cơ đặt cữ. - Bộ truyền đai. - Cữ giới hạn hành trình. 101
- Khớp nối truyền momen quay.
- Sống trợt dẫn hớng chuyển động thẳng. - Kết cấu khung đỡ.
- Các loại ổ bi trợt dọc trục và quay quanh trục.
Trên bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y sử dụng ba khớp tịnh tiến. Trong đó một khớp tịnh tiến gắn với chuyển động của piston và xylanh tham gia thực hiện các thao tác của Robot. Hai khớp tịnh tiến còn lại sử dụng cho quá trình đặt cữ làm việc của Robot. Các khớp tịnh tiến trên trục Y có thể hoạt động độc lập với nhau.
Y
Sơ đồ nguyên lý bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y.
Khớp tịnh tiến thực hiện chuyển động tịnh tiến dọc trục Y là piston – xylanh hạn chế 4 bậc tự do: hai bậc tự do tịnh tiến theo trục X và Z, hai bậc tự do quay theo trục X và Z, và còn lại hai bậc tự do: tịnh tiến và quay theo phơng Y. Nhng do chuyển động tịnh tiến dọc trục Y có cơ cấu dẫn hớng nên bậc tự do quay quanh trục Y không thực hiện đợc. Hệ thống piston xylanh sử dụng trong bậc tự do tịnh tiến theo phơng Y là dạng xylanh tác động kép với piston một đầu cần. Quá trình chuyển động tiến và lùi của piston trong xylanh đều đợc thực hiện bằng khí nén. Do nhợc điểm của hệ thống truyền dẫn khí nén thờng kèm theo dao động, không chính xác lúc dừng nên ở hai đầu xylanh thờng có kết cấu giảm chấn điều chỉnh đợc. Kết cấu giảm chấn này thờng là các miếng đệm, khi piston đi gần hết hành trình miếng đệm sẽ chặn đờng ra của khí nén, chỉ để lại một lỗ thoát nhỏ, do đó khí nén sẽ thoát ra từ từ qua van tiết lu làm chậm chuyển động của piston do đó giảm va đập của piston với xylanh ở cuối hành trình. Bên cạnh đó, do có cơ cấu
102
đặt cữ hành trình nên khoảng hành trình của piston có thể bị rút ngắn lại, piston có thể không đi hết chiều dài xylanh. Để tránh va đập trong quá trình piston gặp cữ, ở đầu các cữ giới hạn hành trình đợc gắn các miếng cao su, đồng thời có các lò xo giảm chấn bên trong để giảm bớt va đập.
Các khớp tịnh tiến làm nhiệm vụ giới hạn hành trình và xác định vị trí hành trình làm việc của Robot là các cơ cấu vitme - đai ốc. Các khớp tịnh tiến này hạn chế 4 bậc tự do: tịnh tiến theo hai trục X, Z và quay quanh hai trục X, Z. Bậc tự do quay quanh trục Y và bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y phụ thuộc lẫn nhau: khi vitme quay tơng đối với đai ốc với số vòng quay nhất định sẽ gây ra chuyển động tơng đối theo phơng trục Y với chiều dài dịch chuyển tơng ứng. Do đó cơ cấu vitme đai ốc là khớp loại 5, số bậc tự do tơng đối là 1. Cơ cấu vít me - đai ốc đợc sử dụng trong quá trình đặt cữ do có cấu tạo đơn giản, lực công tác lớn (do phải dịch chuyển cụm tay máy) trong khi đó kích thớc nhỏ gọn, thực hiện đợc chuyển động chậm, tơng đối chính xác. Khớp tịnh tiến giới hạn hành trình làm việc thực hiện nhờ chuyển động quay của vitme làm đai ốc tịnh tiến sẽ thu hẹp hay mở rộng hành trình làm việc của Robot. Tuy nhiên hành trình làm việc tối đa của Robot trên trục Y không vợt quá hành trình của piston trong xylanh. Cơ cấu vitme - đai ốc còn lại có đai ốc quay, trục vitme cố định trên cụm chi tiết khi thực hiện đặt cữ, đai ốc tịnh tiến dọc trục vitme sẽ di chuyển hành trình làm việc theo trục Y ra xa hay vào gần chân đế của Robot. Nh vậy hành trình làm việc của Robot trên trục Y chỉ giới hạn trên chiều dài không quá hành trình của piston trong xylanh nhng nhờ cơ cấu đặt cữ nên không gian làm việc của tay kẹp Robot Harmo đợc mở rộng , do đó có thể thực hiện nhiều chơng trình làm việc với các vị trí thao tác khác nhau tại cùng một vị trí lắp đặt Robot.
Trong thực tế các máy tự động, các máy CNC, các Robot thờng sử dụng vitme đai ốc bi khi cần biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng. Bộ truyền vitme đai ốc bi đợc sử dụng rộng rãi trong các máy tự động do bộ truyền này có hiệu suất cao nhờ sử dụng ma sát lăn thay cho ma sát trợt, độ chính xác định vị cao, độ bền cao, momen khởi động thấp. Tuy nhiên, quá trình đặt cữ trên
103
bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y không yêu cầu độ chính xác cao, không cần hoạt động liên tục nên việc sử dụng bộ truyền vitme đai ốc thờng phù hợp hơn do bộ truyền vitme đai ốc thờng có giá rẻ hơn, giảm đợc chi phí và thời gian bảo dỡng, tu sửa.
Bộ truyền vít me - đai ốc.
Cơ cấu vitme - đai ốc đợc sử dụng để đặt cữ hành trình cho Robot do quá trình đặt cữ yêu cầu chuyển động chậm và tơng đối chính xác. Đối với cơ cấu vitme - đai ốc sử dụng trong Robot Harmo cần thực hiện chuyển động theo hai chiều, do đó loại ren của vitme - đai ốc là ren thang có thể chịu lực trên cả hai mặt ren, có góc profin nhỏ, nhờ vậy có ma sát tơng đối nhỏ, hiệu suất truyền động cao.
Truyền động cho cơ cấu vitme - đai ốc thực hiện nhờ các động cơ điện. Với cơ cấu đặt cữ hành trình, trục động cơ trùng với trục vitme, nối với trục vitme thông qua một khớp nối, vitme quay khi động cơ hoạt động làm dịch chuyển cữ hành trình dọc theo vitme.
Với cơ cấu đặt vị trí hành trình, trục vitme song song với trục truyền động từ hộp giảm tốc gắn với động cơ, truyền động giữa đai ốc và động cơ thực hiện thông qua bộ truyền đai răng. Bánh đai nối với trục ra của hộp giảm tốc bằng then. Bánh đai còn cũng chính là đai ốc, khi bánh đai quay làm đai ốc tịnh tiến dọc trục
104
vitme. Bộ truyền đai có khả năng truyền động giữa hai trục đặt cách xa nhau, tuy nhiên do có lực căng đai nên bộ truyền có tải trọng phụ, vì vậy bộ truyền thích hợp cho truyền động với tải trọng nhỏ, hoàn toàn phù hợp cho cơ cấu đặt vị trí hành trình.
Bánh đai - đai ốc.
Truyền động quay từ cơ cấu động cơ đặt cữ- hộp giảm tốc đến vitme giới hạn hành trình đợc thực hiện nhờ khớp nối trục đàn hồi. Khớp nối này gồm hai nửa nối trục lắp chặt với trục động cơ và vitme, ở giữa có bộ phận đàn hồi liên kết hai nửa nối trục.
Khớp nối trục đàn hồi.
Nhờ có bộ phận đàn hồi nên nối trục đàn hồi có các u điểm sau:
105
+ Giảm va đập và chấn động vì bộ phận đàn hồi có thể tích luỹ và tiêu thụ cơ năng do va đập, chấn động sinh ra.
+ Đề phòng cộng hởng do dao động xoắn gây nên. + Bù lại độ lệch trục.
Khi ứng dụng trong Robot Harmo, nối trục đàn hồi chủ yếu bù lại độ lệch trục giữa vitme và trục ra của hộp giảm tốc. Tác dụng giảm va đập, chấn động và đề phòng cộng hởng không rõ rệt do tốc độ quay thấp. Loại nối trục đàn hồi đợc sử dụng là nối trục đàn hồi với đĩa hình sao. Loại nối trục này có cấu tạo đơn giản, có thể hoạt động bình thờng với độ lệch tâm đến 0,2 mm và độ lệch góc tới 1°30'. Hai nửa nối trục đợc lắp cố định với vitme và trục truyền động nhờ vít chìm.
Các khớp tịnh tiến đợc định hớng nhờ các sống trợt hình trụ gắn cố định trên trục Y. Các vòng bi tịnh tiến dọc sống trợt đảm bảo chiều chuyển động của các khớp theo phơng trục sống trợt. Các loại sống trợt và vòng bi sử dụng trên bậc tự do tịnh tiến dọc trục Y:
106
Vòng bi trên các khớp tịnh tiến dọc trục.
Vòng bi trên các khớp quay.
2.3. Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Z.
Chuyển động tịnh tiến lên xuống theo trục Z đợc thực hiện nhờ chuyển
động tịnh tiến khứ hồi của piston trong xylanh. Trong đó trục của piston và xylanh