3.3.5.1. Giới hạn về động cơ
Từ quỹ hoạch quỹ đạo đường thẳng ta biết được robot chạy quãng đường s=150mm trong vòng t= 2s.
Động cơ HF-KN23B ta có:
Độ phân giải R là 131072 xung/vòng
Tốc độ quay trục n là 3000 vòng/phút
Tốc độ quay tối đa nmax là 5000 vòng/phút Trường hợp động cơ chạy tốc độ bình thường: Tần số:
f = = = 6553600 xung/giây (3-1)
Một xung chạy được:
s1 = / = 0,0000114 𝑚𝑚 (3-2) Kích thước độ phân giải:
Rs= R * s1= 1,5mm (3-3)
Trong vi điều khiển , hay PLC tần số lấy mẫu thường là 100ms. Kích thước độ phân giải theo 100ms:
S100= ∗ = 7,5 𝑚𝑚 (3-4) Số nút cần tạo:
Toàn không gian làm việc: Nmap = ( ) ( ) ( ) = 6321 𝑛ú𝑡 (3-5) Vật cản Nobject =( ) ( ) ( )=529 nút (3-6) Giới hạn số nút cần tạo: Số nút tối thiểu: NMin= = 100 𝑛ú𝑡 (3-7) Số nút tối đa:
NMax = Nmap - Nobject = 5792 nút (3-8) Trường hợp động cơ chạy tốc độ tối đa:
Tần số. Sử dụng (3-1) ta được: f = 10922667 xung/giây
Một xung chạy được.Sử dụng (3-2) ta được: s1 = 0,0000069 𝑚𝑚
Kích thước độ phân giải.Sử dụng (3-3) ta được: Rs=0,9 mm
Trong vi điều khiển , hay PLC tần số lấy mẫu thường là 100ms. Kích thước độ phân giải theo 100ms.Sử dụng (3-4) ta được: S100= 7,5 𝑚𝑚
Số nút cần tạo:
Nmap = 6321 𝑛ú𝑡
Vật cản.Sử dụng (3-6) ta được:Nobject =529 nút
Số nút tối thiểu .Sử dụng (3-7) ta được:NMin= 166 𝑛ú𝑡 Số nút tối đa. Sử dụng (3-8) ta được: NMax = 5792 nút
3.3.5.2. Giới hạn về khoảng cách các nút Lmin = 0,9 mm. Lmax = 7,5 mm. 3.3.5.3. Giới hạn số nút cần tạo NMin= 166 𝑛ú𝑡. NMax = 5792 nút. 3.3.5.4. Giới hạn về bán kính đường tròn RRT* Rmin =0 mm. Rmin =150 mm. 3.3.6. Tạo thí nghiệm
Để tạo thí nghiệm ta vào start/DOE/factorial/ create factorial design Type of design: general full factorial design.
Number of factors: 3.
Khoảng cách: 0,9 - 4,2 - 7,5. Số nút: 166 – 2979 – 5792. Bán kính: 0 – 75 – 150.
Bảng 3.8. Tạo thí nghiệm với DOE
StdOrder RunOrder PtType Blocks khoang cach nut so nut ban kinh
15 1 1 1 4.2 2979 150
5 2 1 1 0.9 2979 75
16 3 1 1 4.2 5792 0
11 5 1 1 4.2 166 75 4 6 1 1 0.9 2979 0 9 7 1 1 0.9 5792 150 3 8 1 1 0.9 166 150 7 9 1 1 0.9 5792 0 14 10 1 1 4.2 2979 75 12 11 1 1 4.2 166 150 1 12 1 1 0.9 166 0 13 13 1 1 4.2 2979 0 25 14 1 1 7.5 5792 0 18 15 1 1 4.2 5792 150 27 16 1 1 7.5 5792 150 22 17 1 1 7.5 2979 0 21 18 1 1 7.5 166 150 10 19 1 1 4.2 166 0 26 20 1 1 7.5 5792 75 6 21 1 1 0.9 2979 150 24 22 1 1 7.5 2979 150 2 23 1 1 0.9 166 75 8 24 1 1 0.9 5792 75 23 25 1 1 7.5 2979 75 20 26 1 1 7.5 166 75 17 27 1 1 4.2 5792 75 3.3.7. Thực hiện thí nghiệm
Sau khi tạo được thí nghiệm thì ta bắt đầu thí nghiệm từng trường hợp theo thứ tự mà minitab sắp xếp ngẫu nhiên để có thể hạn chế được các yếu tố khác mà ta không đề cập vào xét.
Bảng 3.9. Kết quả thực hiện thí nghiệm
Khoảng cách nút Số nút Bán kính Quãng đường Thời gian
4.2 2979 150 174.749 1194.39 0.9 2979 75 164.651 812.319 4.2 5792 0 241.961 2705.66 7.5 166 0 172.483 4.713 4.2 166 75 201.13 5.349 0.9 2979 0 318.789 703.285 0.9 5792 150 164.95 3490.9 0.9 166 150 183.401 6.495 0.9 5792 0 173.381 3086.42 4.2 2979 75 178.736 881.967 4.2 166 150 170.601 5.8 0.9 166 0 246.462 4.841 4.2 2979 0 223.926 701.795 7.5 5792 0 222.562 3366.18 4.2 5792 150 167.589 4013.41 7.5 5792 150 174.345 5563.34 7.5 2979 0 293.845 852.831 7.5 166 150 183.841 5.742 4.2 166 0 225.379 4.76 7.5 5792 75 168.474 2677.24 0.9 2979 150 162.98 1168.7 7.5 2979 150 171.057 1060.96
0.9 166 75 179.266 5.531 0.9 5792 75 168.074 3408.19 7.5 2979 75 175.641 716.647 7.5 166 75 165.069 5.053 4.2 5792 75 168.392 2699.19 3.3.8. Đánh giá nhận xét
Sau khi để minitab phân tích thì ta nhận thấy được một số các yếu tố ảnh hưởng là không đáng như AA,A,AC,AB,CC từ đó ta có thể loại bỏ để có thể làm bài toán trở lên đơn giản hơn.
Đánh giá độ ảnh hưởng của các yếu tố.
Hình 3.9. Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố
Sau khi loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng không đáng kể thì ta được hàm hồi quy như sau:
Thời gian = 67 – 0,126.B- 0,83.C+ 0,000104.B2+ 0,001543.B.C (3-9) Ta cũng thấy được sự ảnh hưởng của 3 yếu tố khoảng cách nút, số nút, bán kính theo đường bậc 2.
Hình 3.10. Đồ thị ảnh hưởng của các yếu tố Tối ưu hóa các yếu tố:
Sau khi sử dụng DOE/response surface/ response optimization thì minitab đã khuyến cáo giá trị để ta có thể lựa chọn ra giá trị của yếu tố sao cho thời gian xử lý thuật toán là nhanh nhất.
Khoảng cách: 4,7. Số nút: 166.
Bán kính: 77.
Kết luận chương 3
Sau khi thiết kế được cánh tay robot 6 bậc tự do thì cần xây dựng điều khiển. Các giao diện điều khiển tạo ra nhằm giúp người dùng có thể vận hành robot một cách đơn giản và dễ dàng. Ở chương này ngoài việc đưa ra các giao diện nhóm nghiên cứu đã xây dựng và đưa ra hàm tối ưu hóa về thời gian chuyển động của cánh tay robot.
Chương 4. Quy trình công nghệ chế tạo robot 4 bậc tự do
Phần chế tạo mô hình được chia thành hai phần, thiết kế phần cơ khí và phần cơ khí lắp đặt. Trong thiết kế của phần cơ khí, bản vẽ của các bộ phận được sử dụng trong chế tạo cánh tay robot đã được thực hiện thông qua phần tính toán thiết kế cánh tay robot bên trên. Trong việc lắp đặt bộ phận, việc sử dụng động cơ cho các khâu của cánh tay cần được xác định và lựa chọn. Lựa chọn động cơ servo với những ưu điểm về điều khiển, hoạt động của cánh tay robot trong quá trình robot làm việc. Việc này bao gồm một số bước như sau:
Xác định các vật liệu cần thiết để chế tạo.
Xác định bộ vi điều khiển và phần mềm sẽ được sử dụng.
Chọn động cơ servo sẽ dùng cho cánh tay robot một cách thích hợp.
Lựa chọn phù hợp các bộ phận cơ khí.
Thực hiện lắp ráp cánh tay robot.
Kiểm tra hệ thống để xem nó có hoạt động đúng với bộ vi điều khiển đã chọn hay không.
Các lỗi có thể xảy ra trong quá trình lắp đặt và vận hành.
Khi các bước này đã được hoàn thành thì việc chế tạo robot đã hoàn thành 4.1. Sơ đồ thiết kế
Sơ đồ thiết kế là một phần quan trọng mỗi khi bắt đầu thiết kế. Dựa vào đó người thiết kế có thể đưa ra các phương án phù hợp với yêu cầu. Không chỉ vậy, dựa vào sơ đồ việc sửa chữa khi gặp lỗi cũng rất dễ dàng.
Sơ đồ được thiết kế ở dạng 4 khâu. Thông qua các bộ truyền đai – hộp giảm tốc.
4.2. Lựa chọn động cơ
Chọn động cơ AC servo Model: HF-KN23B cho cả 4 khâu của mô hình. Hình 4.1. Sơ đồ thiết kế thực
Bảng 4.1. Thông tin động cơ dùng Mã Công suất (kW) Momem quán tính (x10-4 kg.m2) Cân nặng (kg) Momen xoắn (N.mm) HF-KN23B 0.2 0.31 1.4 1900 4.3. Xác định sơ bộ các khâu 4.3.1. Khâu 3-4 Vật liệu chế tạo: thép C45 Gồm một động cơ và thanh 4.
Cân nặng tổng của cả khâu là: 1,4 + 1,78 = 3,18 kg Bảng 4.2. Thông tin khâu 34
Tên Giá trị Đơn vị
Khối lượng tải 3,18 Kg
Hệ số an toàn 1.5
Hình 4.2. Phân tích lực khâu 34 Momen tải là 0.4995 N.m
Do động cơ 3 đi qua bộ truyền đai,khớp nối và ổ nên ta có hiệu suất:
Hiệu suất của các bộ truyền và các cặp ổ lăn tra bảng(2.3)-[1] Hiệu xuất bộ truyền đai = 0,96.
Hiệu xuất một cặp ổ lăn = 0,99. Hiệu xuất khớp nối = 1.
𝑛 = 0,99 . 0,96.1 = 0,94
Momen tải thực tế là ,
, =0,53 N.m=530 N.mm < 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu mà không cần sử dụng hộp giảm tốc. Sử dụng bộ truyền đai tỷ số 1:1.
4.3.2. Khâu 2-3
Vật liệu chế tạo: thép C45
Gồm 2 động cơ ,thanh đỡ 3, khối lượng tất cả thanh 4 và một số các chi tiết khác.
Cân nặng tổng của cả khâu là: 2,5+2.1,4= 5,3 kg Bảng 4.3. Thông tin khâu 23
Tên Giá trị Đơn vị
Khối lượng tải 5,3 Kg
Hệ số an toàn 1.5
Hình 4.3. Phân tích lực khâu 23 Momen tải là 12780 N.mm
Để đảm bảo an toàn thì momen cần đạt là 19170 N.mm
Do động cơ 2 đi qua bánh răng,khớp nối và ổ nên ta có hiệu suất:
= ( 4-2)
Hiệu suất của các bộ truyền và các cặp ổ lăn tra bảng(2.3) [1] Hiệu xuất một cặp bánh răng = 0,96.
Hiệu xuất một cặp ổ lăn = 0,99.
𝑛 = 0,99.0,96 = 0,95
Momen tải thực tế là
, = 20393 N.mm > 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu nếu tỉ số truyền của hệ đạt 1/10.
Lựa chọ hộp giảm tốc với tỉ số truyền là 1/10. 4.3.3. Khớp 1-2
Vật liệu chế tạo: thép C45
Gồm 3 động cơ ,hộp giảm tốc, khối lượng tất cả thanh 3, 4 và một số các chi tiết khác.
Cân nặng tổng của cả khâu là: 3,7+3.1,4+1,3= 9,2 kg Bảng 4.4. Thông tin khâu 12
Tên Giá trị Đơn vị
Khối lượng tải 9,2 Kg
Hệ số an toàn 1.5
Momen tải là 3644 N.mm
Để đảm bảo an toàn thì momen cần đạt là 5466 N.mm
Do động cơ 1 đi qua hộp giảm tốc ,khớp nối nên ta có hiệu suất:
= . .đ. ( 4-3)
Hiệu xuất một cặp bánh răng = 0,96. Hiệu xuất một cặp ổ lăn = 0,99.
Hiệu xuất khớp nối = 1. Hiệu xuất đai = 0,95.
𝑛 = 0,99 . 0,96.0,95.1 = 0,89
Momen tải thực tế là
, = 6142N.mm > 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu nếu tỉ số truyền của hệ đạt 1/4.
Lựa chọn hộp giảm tốc với tỉ số truyền là 1/4. 4.4. Xác định các bộ truyền 4.4.1. Bộ truyền đai Mô đun: m =35. = 35. . = 1,4 (4-4) Theo bảng 4.28 - [1]. Chọn m = 1.5. Bề rộng đai: B = ѱđ.m = 6.1,5 = 9 mm (4-5) Theo bảng 4.28 - [1]. Chọn b = 10 mm. Số răng:
tra bảng 4.29 – [1]. Lấy Z = 40 răng. Do thiết kế tỷ số truyền của bộ truyền đai là 1 nên Z1 = Z2 = 40 răng.
Khoản cách trục sơ bộ: 𝑎 = 0,5.m.(Z1 + Z2) + 2.m = 0,5.1,5.(40 + 40) + 2.1,5 = 63 mm (4-6) 𝑎 = 2.m.(Z1 + Z2) = 2.1,5.(40 + 40) = 240 mm (4-7) Chọn a = 150 mm.
Đường kính vòng chia:
d = m.z = 1,5.40 = 60 mm (4-8)
Kiểm nghiệm đai về lực vòng nghiêng: Lực căng ban đầu:
Ft = . = . ,
, = 21,27 (N) (4-9)
Lực tác dụng lên trục:
Fr = 1,2.Ft = 1,2.24,27 = 25,524 (N) (4-10) Kiểm nghiệm:
Lực vòng nghiêng trên đai thỏa mãn điều kiện:
q = Ft.Kđ/b + qm.V2= ≤ [q] (4-11) Trong đó: [q] = [q0].Cz.Cu (4-12) Tra bảng 4.31- [1]ta có: Bảng 4.5. Các hệ số tính q [q0] Cz Cu qm Kđ 5 1 1 0,0032 1
Thay vào (4-11) ta được:
q = 21,27.1/10 + 0,0032.9,42 = 2,4 [q] = 5.1.1 = 5
Khi đó q < [q]. Thỏa mãn điều kiện 4.4.2. Gối đỡ
Trục:
Các lực tác dụng lên trục:
Lực F của khớp 4 bao gồm khối lượng của khớp và khối lượng của động cơ.
Lực tác dụng lên trục của bộ truyền đai. Đường kính sơ bộ của trục:
d ≥
, .[ ] =
, .[ ] = 8,5 (mm) (4-13)
Khoảng cách sơ bộ thiết kế:
F = 27,69 (N) Fr = 25,524 (N) Ta có: 𝐹 − 𝐹 = 𝐹 + 𝐹 50. 𝐹 − 20. 𝐹 − 40. 𝐹 = 0 (4-14) Giải hệ phương trình trên ta được:
FB = 8,43 (N) FA = 61,644 (N)
Mx tại A: MxA = Fr.l = 25,524.50 = 1276,2 (N.mm)
Mx tại B: MxB = (FA – Fr).l = (61,644 – 25,524).20 = 722,4 (N.mm) Momen xoắn Mz = 1900 N.mm
Đường kính trục tại vị trí lắp ổ lăn được tính theo vị trí lớn nhất do 2 ổ lăn chọn giống nhau.
Mtd = 𝑀 + 𝑀 + 0,75𝑀 (4-15)
= 1276,2 + 0 + 0,75. 1900 = 2082,35 N.mm Hình 4.4. Các thành phần lực tác dụng lên trục
đường kính 𝑑 =
, .[ ] = ,
, . = 6,9 (mm). Do sử dụng ổ lăn theo tiêu chuẩn mà pully có d = 14mm nên chọn vị trí lắp ổ lăn d = 15 mm.
Ổ lăn Phản lực tại A. FA = 61,644 (N) Phản lực tại B. FB = 8,43 (N) Có: 𝐹𝑟 >𝐹𝑟 ⇒ Tính theo vị trí A. Chọn ổ bi đỡ. Cấp chính xác 0.
Độ đảo hướng tâm (𝜇 𝑚)= 20. Giá thành tương đối 1.
Khả năng tải động. + Tuổi thọ ổ:
L= . . = . . = 10,72 (triệu vòng) (4-16) Tải trọng quy ước:
Q= (X.V.𝐹 +y.𝐹 ).𝐾 . 𝐾đ (4-17)
Trong đó:
- X: là hệ số tải trọng hướng tâm: X=1 ,
- V: là hệ số kể đến vòng nào quay (vòng trong quay ) nên V=1. - Kt: là hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, trong nhiệt độ làm việc của ổ ta chọn được kt 1vì (nhiệt độ ≤100 0C ),
-Kđ: hệ số kể đến đặc tính tải trọng,kđ=1 X=1;Y=0.
Khả năng tải động: Cd = Q. √𝐿 (m=3 vì ổ bi) (4-18) = 61,644. √10,72 = 135,92 (N) Khả năng tải tĩnh. 𝑄 = 𝑋 . 𝐹 + 𝑌 . 𝐹 𝑋 = 0,6 𝑌 = 0,5 𝑄 = 0,6.61,644 + 0,5.0 = 36,98 (𝑁) Chọn ổ: Chọn ổ đỡ cỡ siêu nhẹ. Bảng 4.6. Thông số ổ Kí hiệu d (mm) D (mm) B (mm) r (mm) C (kN) C0 (kN) 1000902 15 28 7 0,5 2,53 1,51 4.4.3. Hộp giảm tốc cho khớp 2 Bảng 4.7. Thông số hộp giảm tốc khớp 2 Model AB060L1 – 010 – P2 – S2 Tỷ số truyền 10 Trục ra Ø16, có rãnh then Đầu vào Ø14 Momen xoắn 40 N.m
Momen xoắn tối đa 72 N.m
Tốc độ 5000 Vòng/phút Tốc độ tối đa 10000 Vòng/phút 4.4.4. Hộp giảm tốc cho khớp 3 Bảng 4.8. Thông số hộp giảm tốc khớp 3 model PQ004MS-47.2-S-C2-14X14- A060PM Tỷ số truyền 47.2 Momen xoắn 34 N.m
Momen xoắn tối đa 47 N.m
Vận tốc đầu ra 30 vòng/phút
Vận tốc đầu ra tối đa 100 vòng/phút
Cốt trục vào Ø14
4.5. Thiết kế mạnh điện
Sử dụng PLC dòng Q của misubishi:
Sử dụng PLC dòng Q của misubishi, sử dụng Q03UDE là CPU điều khiển với các IO QX40, QY40P và module điều khiển vị trí QD75P4N.
Điều khiển động cơ HF-KN 20B sử dụng drive MR-JE 20A. Giới thiệu CPU Q03UDE:
- Tốc độ xử lý (LD instruction): 0.02μs. - Dung lượng chương trình: 30 K. - Bộ nhớ chương trình: 120 KB. - Số I/O tích hợp sẵn: 4096.
- Số I/O tối đa có thể mở rộng: 8192. - Cổng truyền thông: RS232, USB, Ethernet.
- Bộ nhớ: SRAM card, Flash card, ATA card. - Timer: 2048.
- Counter: 1024.
- Kích cỡ (W x H x D)mm: 27.4 x 98 x 89.3
Hình 4.6. Main Base Unit
Được gắn trên Main Base Unit được sử dụng để giữ và ghép nối các module, mô-đun nguồn, mô-đun đầu vào, mô-đun đầu ra và mô-đun chức năng đặc biệt của CPU.
Các mô-đun được tự động giải quyết.
Các thiết bị được gắn bằng vít hoặc trên đường ray định hình với bộ chuyển đổi tích hợp.
Mô-đun cung cấp điện áp dụng: Q61P-A1, Q61P-A2, Q63P. Mitsubishi Q Series CPU và I/O.
Dòng Mitsubishi Q rất linh hoạt. Nó có thể là một giải pháp xử lý đơn hoặc đa, với tối đa bốn CPU được cài đặt trên cùng một bảng nối đa năng. Người dùng cũng có thể chọn để trao đổi PLC CPU với CPU điều khiển chuyển động hoặc thậm chí thêm PC trực tiếp (như một phần intregal) vào bảng nối đa năng PLC. Q Series có thể đáp ứng các thách thức quy trình hiện đại bằng cách cung cấp “Môi trường giàu tự động” từ sự kết hợp công nghệ PLC tiên tiến với Motion và PC như một giải pháp liền mạch không yêu cầu kết nối giữa chúng.
Giới thiệu modul QX40: Số ngõ vào: 16.
Điện áp ngõ vào 24VDC.
Điện áp hoạt động 20.4 – 28.8 VDC.
Điện áp ON/ Dòng điện ON: >19 VDC/ >3mA. Điện áp OFF/ Dòng điện OFF: <11VDC/ <1.7mA Thời gian đáp ứng OFF <=> ON: <70 ms.
Khối lượng 0.16 kG Sơ đồ chân như sau :
Hình 4.7. Sơ đồ chân modun QX40 Giới thiệu modul QY40P:
Số ngõ ra: 16.
Điện áp ngõ vào 24VDC.