Vật liệu: Thép C45.
Ứng suất dập: [σ d ]=100 (MPa) ; Ứng suất cắt tính toán: [τ c]=60(MPa)
Theo bảng 9.1a,[2], ta chọn được then có giá trị sau:
Hình 3.19 – Kích thước then trục số 2 [2]
Chọn chiều dài then:lt =28(mm)
Theo [2], điều kiện bền dập được kiểm tra theo công thức:
σd=
Điều kiện kiểm tra độ bền cắt theo công thức:
τ c=
Từ các thông số đã tính thay vào (3.) và (3.), ta có:
σ d=27 (MPa )< 100( MPa)
τ c=10 (MPa )< 60( MPa)
Then thỏa mãn điều kiện bền dập và điều kiện bền cắt.
3.2.6- Tính chọn ổ bi đỡ lăn cho trục 2
Theo các kết quả đã tính toán, ta có:
Tải trọng dọc trục:Fa=(P3 +m2 ). g=28,3.10=283(N )=0,283 (kN ).
Tải trọng hướng tâm:Fr= M
xmax : l ol = 70895 : 60 =1182 (N )=1,182 (kN ). 2 2 2 2 Xét tỷ lệ:Fa /Fr =0,283/1,182=0,24 <0,3
Nên ưu tiên dùng ổ bi đỡ một dãy có kết cấu đơn giản nhất.
Hình 3.20 –Sơ đồ lực tính toán ổ bi đỡ.
Khả năng tải trọng độngCd được tính theo công thức:
C d=Q . m√L( 3.12)
Trong đó:
Q- Tải trọng động quy ước, kN. Với ổ bi đỡ 1 dãy, tải trọng động được tính theo công thức 11.3,[2]:
Q=(XV Fr +Y Fa )kt k đ (3.13)
68
V- Hệ số kể đến vòng nào quay, vòng trong quay V=1;
k t- Hệ số ảnh ảnh hưởng của nhiệt độ,k t=1
k đ- Hệ số ảnh ảnh hưởng của đặc tính tải trọng, tra bảng H3. .Chọnk đ
=1,5.
Hình 3.21 –Hệ số tải trọngk đ [2]
X,Y- Hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục; tra bảng 11.4, giáo trình [2]. Với ổ bi đỡ 1 dãy có góc tiếp xúc là 26°, có X=0,41; Y= 0,87;
Từ các thông số trên:
Q=(0,41.1.1,182+0,283.0,87) .1.1,5=1,09(kN ) L- Tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay;
GọiLh là tuổi thọ của ổ tính bằng giờ thì:
Lh=106. L/(60 n)
Với n=111 vòng/phút,Lh=104 (giờ) với máy làm việc 1 ca.
L= Lh .60 n
=66,6(triệu vòng) 106
m- Bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, m=3 đối với ổ bi; m=10/3 với ổ đũa;
Thay vào (3.12), khả năng tải trọng động của ổ là:
C d=Q . m√L=1,09. √366,6=4,4 (kN )
Tra bảng P2.12, giáo trình [2], chọn được ổ bi đỡ sau:
Hình 3.22 - Ổ bi chặn 1 dãy 46305 [2]
3.2.7- Tính chọn động cơ khâu 2
Thiết lập phương trình Lagrange loại 2 cho robot Scara với:q1=θ1,q2=θ2
Hình 3.23 – Sơ đồ động học robot Scara.
Động năng của hệ:
70
T =∑ (1 2 Ji ω2i+ 1 2 mi vC2i) Trong đó:ωi= ∂ ∂((qti)). T =18m1a2 1q˙2 1 +12 (121m1q2 1q˙2 1 )+1 2 (121m2q2 2 (q˙1 +q˙2)2)+¿ 1 2m2 (a2 1q˙2 1 +14a2 2 (q˙1+ q˙2 )2 + a1a2q˙1 (q˙1 +q˙2 ) cos q2)+ ¿ 1 2m3 (a2 1q˙2 1+ 14a2 2 (q˙1 +q˙2 )2 +a1a2q˙1 (q˙1 +q˙2) cos q2 +q˙2 3) Thế năng của hệ: π=∑mi ghCi=m1gd1 +m2gd1 +m3g (d1+ 1 2d3−q3) Lực suy rộng: Q =T − ∂(π) i i ∂(qi) Q1=τ1=T1;Q2=τ2=T2;Q3=τ3=M3
Phương trinh Lagrange cho hệ cơ cấu có dạng:
d∂ T− ∂T −Qi=0 dt ∂ q˙i ∂qi Ta có: T 1=[(1 3m1+ m2 +m3 )a2 1+( m2+2 m3 ) a1a2C2 +(1 3m2 +m3 )a22 ]ε1 +¿ [(1 3 m2 +m 3)a 1 a 2 C 2+(1 3 m2+m 3)a2 2 ]ε 2 −a 1 a 2 S 2 ¿ −(1 3m2+ m3 )ω22 ¿(3.14) T 2=−[(1 2m2+ m3 )a1a2C2 +(1 3m2 +m3)a2 2]ε1+(1 3m2 +m3)a2 2ε2 +¿ ( 1 3 m2 +m3)a1a2S2ω2 1 (3.15) 71
Vớim2=4,5(kg);m1=2,5 (kg);a1=350(mm ); a2=350(mm)
Thay vào (3.);T 2=27,08(Nm)
Ta sử dụng 2 bộ truyền bánh răng trụ cho việc truyền động cho khâu 1 và 2. Với:nđ – Hiệu suất bộ truyền đai răng,nđ =0,97 ;
n ol – Hiệu suất 1 cặp ổ lăn, nol=0,99 ;
Hiệu suất thực tế:μ=nđ . nol=0,99.0,97=0,96.
Công suất cho động cơ khâu 2:W đc 2=T2 ω
μ2 =328,345 (W )≈ 0,329(kW )
Với các thông số sau:Wđc 2=0,329( kW ); vận tốc góc khâu 2 là 111 vòng/phút, chọn tỷ số truyền 1:2, Tốc độ quay của động cơ cần chọn là 222 vòng/ phút.
Chọn động cơ MSMD042P42N của hãng PANASONIC.
Công suất: P = 400 (W);
Tốc độ truyền sau khi đi qua hộp giảm tốc:n≈ 222vòng/phút với tỷ lệ 1/9; Khối lượng: m =1,3 (kg);
Kích thước: 60x60x80 (mm).
3.2.8- Tính chọn bộ truyền động đai răng a- Xác định mô đun và chiều rộng đai răng Xác định mô đun và chiều rộng đai răng
Mô đun m xác định bằng công thức:
m=35 √3 P
n22 =35 √3 0,329
222 =3,99(mm) Dựa vào bảng (H3.24); ta chọn m = 4, bước răng p = 12,57 (mm).
72
Hình 3.24 – Bảng chọn mô đun [2]
b- Xác định chiều rộng đai
Theo [2], chiều rộng đai xác định như sau:
b=ψđ m(3.16) Trong đó:
ψ đ – Hệ số chiều rộng đai.ψđ dao động từ 6 đến 9.
Hình 3.25 – Chiều rộng đai răng [2]
73
Dựa vào bảng (H3.25), [2]; chọn bước răng b = 25 (mm). Chiều rộng bánh đai: B = b + m = 25 + 4 = 29 (mm). c- Xác định các thông số của bộ truyền
Hình 3.26 – Bảng tra số răng [2]
Số răngz1của bánh đai nhỏ được chọn theo bảng (H3.26) nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai. Số răng của bánh đai lớn z2=u . z
1với u=n1 /n 2=z 2 / z 1. Chọn z1=18 (răng). z2=u . z 1 =2.18=36 (răng). Đường kính bánh đai:D1=m . z1=4.18=72(mm ); D2=m. z2 =144 (mm). Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện:
a min ≤ a≤ a max Trong đó: amin=0,5 m(z1+ z2)+ 2m=116 (mm ); amax=2m (z1+ z2 )=432(mm) Số răng đai zđ = 2 a +z1+ z2 + (z2− z1)2 p = 2 a +z1 + z2 + (z2− z1 )2 p =46 ÷ 96 p240 ap240 a Chọnzđ =50( mm). Thayzđ =50(mm) ta có: a = 140 (mm) Chiều dài đai:lđ = p . zđ =12,57.50=628(mm)
Đường kính ngoài của bánh đai:
74
da1=m z1−2 δ=70,4 (mm) ;da2=m z2−2 δ =142,4 (mm) Vớiδ=0,8.Tra bảng H(3.24).
Góc ôm đai:
α 1=180 °−[m( z2
a−z1 ) ].57,3°=150 °
Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ:
z 0= z
3601α1°=7,5( răng)
d- Tính toán kiểm nghiệm đai theo lực vòng riêng.
Lực vòng riêng trên đai phải thỏa mãn điều kiện:
q=Ft Kđ /b+qm v2≤ [q ](3.17) Trong đó:
v- Tốc độ vòng quay, (m/s).v=n× 30π × d
2a1 × 10−3=0,8(m/s )
F t- Lực vòng, N.Ft=1000 P/ v=1000.0,392/0,8=490(N )
q m- Khối lượng 1 mét đai có chiều rộng 1mm.qm=0,005(kg). Tra bảng (H3.27)
Hình 3.27 – Bảng traqm [2]
K đ - Hệ số tải trọng động,Kđ =1,1. Tra bảng (H3.28)
Hình 3.28 – Bảng tra hệ số tải động [2]
Vậyq=1,1.490/25+0,005. 0,82=21,56( N /mm) ≤[q ]
Với [q ]=[q0 ]CZ Cu >25.1,13 .1=28,25. Tra bảng (H3.28; H3.29)
Hình 3.29 – Bảng traCZ ;Cu [2]
3.3- Tính toán và thiết kế khâu 13.3.1- Chọn vật liệu và thông số 3.3.1- Chọn vật liệu và thông số
Chọn chiều dài khâu 1:L1=350( mm)
Chọn dạng tiết diện khâu 1: Mặt cắt ngang hình chữ nhật có rãnh kích thướca× b
trong đó a là bề rộng, b là chiều cao.
76
Hình 3.30 - Mặt cắt ngang khâu 1
Chọn vật liệu làm khâu 1:
Thép C45 (khối lượng riêngρ=7850(kg/m3 )) Giới hạn chảy: [σ ch]=360 MPa
3.3.2- Mô hình tải trọng và lực phân bố trên khâu 1
Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 1:
Trong đó các dữ liệu đã biết là:
Khối lượng khâu 2 và 3:m2 +m3=4,5+2,5=7( kg)
Tải:W =20(kg)
Khối lượng động cơ khâu 3:mđc3 =1,3(kg)
Động cơ khâu 2 (đặt ở giữa khâu 1):mđc2 =1,3(kg)
77
Như vậy, theo sơ đồ lực tác dụng lên khâu 1: Mặt cắt nguy hiểm nhất là tại ngàm.
Tổng khối lượng khâu 2, khâu 3 và động cơ khâu 3 là:
m 23=m2 +m3+mđc3=28,3(kg)
Momen tác dụng lên khâu 1:
M 23=(m3 +mđc3 +W )× g× L2+ m2× g× L
22 =87,675( N . m)
Momen uốn lớn nhất tại ngàm:
M max =M23+m1 tt × g× L
21 +m23× g× L1 +mđc 2× g× L
21
Trong đó:m1 - khối lượng khâu 1, m1=2 × ρ × a× b× L1×10−9 ( kg)
Ứng suất uốn lớn nhất: σ max1= M Jmax × b 2 (3.18) Với J=a× b 3 12 Chọna=15 (mm);b=50 (mm) [ σuốn]=0,8× [σchảy ] =0,8.360=288(MPa) m1=4,12125(kg)
Thay vào phương trình (3.18) ta có:σ max1=31,4 (MPa )< 288(MPa).
Thỏa mãn điều kiện bền.
Thiết kế khâu 1 dài thêm 30mm để khoét lỗ trục. Khi đó:m1=4,48(kg).
3.3.3- Độ võng lớn nhất trên khâu 1
78
Hình 3.31 – Biểu đồ mô men tác dụng lên khâu 1
Độ võng lớn nhất tại đầu B khâu 1 là:
∆ y B= E Jx
Điều kiện bền và điều kiện cứng: Do robot chỉ cần làm việc với tải trong tối đa là W = 200 (N) nên kết cấu của robot luôn thừa bền, để đảm bảo tính chính xác trong quá trình di chuyển đến đúng vị trí thao tác ta chỉ cần kiểm tra điều kiện cứng, tức là độ võng phải nhỏ hơn độ võng cho phép của khâu 1 ( [ f 1] mm có thể chọn dựa trên độ chính xác lặp theo trục z).
Độ võng lớn nhất trên khâu 1 là:
y 1=0,0097 ≤ [f 1 ]=0,01(3.19)
Từ công thức trên, ta chọn kích thước mặt cắt ngang của khâu 1 thỏa mãn độ võng cho phép.
3.3.4- Tính toán đường kính trục
+Chọn vật liệu: Thép C45
+ σ b=610( MPa)
79
+τ −Ứngsuất xoắncho phép, [τ ]=30( MPa)
+ σ −Ứngsuất cho phép, [σ ]=63( MPa)
Khối lượng tác động:M =P3 +m2 +mđc2 +m1=34,08(kg)
Thời gian 1 vòng chu kì khâu:t=0,29 /20 %=1,45( s)
Vận tốc khâu 1:v1 =450(° /s)
Vận tốc góc khâu 1:w1=75(vòng/ phút)=7,85( rad /s)
Gia tốc góc khâu 1:ε1=7,85/0,29(rad /s2 )=27,07(rad /s2) .
Chiều dài từ trọng tâm khâu 2 đến đường tâm trục làr =170(mm)
Gia tốc hướng tâm:an=w12. r=7,852 .0,17=10,48
Gia tốc tiếp tuyến:at=ε1. r =27,07.0,17=4,6
Lực quán tính ly tâm lớn nhất:F¿1=M . an=34,08.10,48=357(N )
Mô men xoắn lớn nhất:T1 max=M . at . r=34,08.4,6 .0,17=26,65( Nm)
Xác định đường kính trục sơ bộ:
3
d ≥
√
Sơ đồ lực tác dụng:
Hình 3.32 – Biểu đồ lực và mô men tác dụng trục 1
Từ biểu đồ, Mô men uốn lớn nhất:
M xmax=M . g . l+ F¿2. a /2=34,08.10 .170+ 357.90/2=74001(Nmm)
Tính chính xác đường kính trụcd1:
√
d1≥3
Với:
M tđ=√M 2xmax + α . M 2z=√M2xmax + α .T21 max (3.21)
Trong đó: + α=0,75; +l=170 (mm) ; +M xmax=74001 ( Nmm); +[σ ]=58; +T 1 max=26650(Nmm) M tđ =77561(Nmm); d1≥ 23,73(mm) d1=30 (mm );d =18(mm) 1 ω μ1 =217,92 (W )≈ 0,218(kW )
Với các thông số sau:W đc 2=0,218( kW ); vận tốc góc khâu 1 là 75 vòng/phút, chọn tỷ số truyền 1:2, Tốc độ quay của động cơ cần chọn là 150 vòng/ phút.
Chọn động cơ MSMD042P42N của hãng PANASONIC như động cơ khâu 2.
3.3.8- Tính chọn bộ truyền động đai răng. Chọn tương tự khâu 2:
81
3.3.5- Tính, chọn then cho trục số 1
Chọn then giống cho trục 2
3.3.6- Tính chọn ổ bi đỡ lăn cho trục 1
Chọn ổ lăn giống cho trục 2.Với đường kính trong ổ lăn d = 30 (mm).
3.3.7- Tính chọn động cơ khâu 1 Công
suất cho động cơ khâu 1:Wđc 1=T
Mô đun m = 4, bước răng p = 12,57 (mm). Bước răng b = 25 (mm).
Chiều rộng bánh đai: B = 29 (mm). Số răngz1=18 (răng).z2=36 (răng).
Đường kính bánh đai:D1=72 (mm); D2=144 (mm). Chọnzđ =50( mm).
Khoảng cách trục: a = 140 (mm)
Chiều dài đai:lđ = p . zđ =12,57.50=628(mm)
Đường kính ngoài của bánh đai:da1
=
70,4 (mm) ;da2
=
142,4 (mm ) Góc ôm đai:α ≈ 150 °
Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ:z0=7 (răng).
3.4- Tính toán và thiết kế khâu 03.4.1- Chọn vật liệu và thông số 3.4.1- Chọn vật liệu và thông số
Chọn chiều dài khâu 0:L0=340 (mm)
Chọn dạng tiết diện khâu 0: (Dạng hình trụ tròn rỗng, đường kính trongd1, đường kính ngoàid2)
82
Hình 3.33 - Mặt cắt ngang khâu 0
Vật liệu:
Gang xám GX12-28 (khối lượng riêngρgang=7 × 10−6 (kg/mm3 )) 3.4.2- Mô hình tải trọng và lực phân bố trên khâu 0 Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 0
Hình 3.34 - Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 0
83
Biểu đồ lực và momen:
Hình 3.35 –Biểu đồ lực mà momen tác dụng lên khâu 0
Khối lượng lực tác dụng dọc trục là:
m123=m1+m2 +m3 +mđc3 +mđc 2+ mđc 1+ Tải=35,38(kg) Momen uốn:
M 123=g× ¿
(3.22)
Thay các giá trị đã cho vào (3.22), ta cóM 123=200340( Nmm)
Ứng suất uốn: σ uốn= M 123 (3.23) W x Trong đó: W x=π× d23 × (1−α4 ),α= d1 32d2 84
Ứng suất nén: σ nén=(m123+ m0 ) × g =(m123+ m0 ) × g (3.24) Sπ 4 (d22−d12) Trong đó: m0= ρgang × L0× π 4×(d22−d21 ) Chọnd1=140 (mm );d2=160 (mm ); L0=340 (mm ).
Thay vào (3.22) và (3.23) ta có:σ uốn=9,6 (N /mm2 );σnén =0,33 (N
/ mm2 ) Thoản mãn điều kiện bền.
CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ BẢN BẢN VẼ LẮP CƠ KHÍ; MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA
85
4.1- Thiết kế bản vẽ lắp cơ khí4.1.1- Bản vẽ kết cấu lắp chung 4.1.1- Bản vẽ kết cấu lắp chung
4.2- Mô phỏng điều khiển robot trong không gian hoạt động xác định
4.2.2- Mô phỏng điều khiển robot
86
KẾT LUẬN
87
Trên đây là bản báo cáo đồ án môn học Thiết kế hệ thống cơ khí cho Robot công nghiệp Scara 3 bậc tự do của em. Đây là một đề tài có tính thực tế cao, trong thời đời công nghiệp ngày càng phát triển sự cạnh tranh không ngừng đòi hỏi năng suất và chất lượng phải được cải thiện nhờ dây chuyền máy móc hiện đại thay thế lao động thủ công của con người.
Như vậy trong đồ án môn học em đã được tìm hiểu được cách xây dựng một mô hình robot Scara, từ tính toán thiết kế hệ thống cơ khí đến lập trình mô phỏng hoạt động. Công việc hoàn thành bao gồm:
- Tổng quan về robot công nghiệp, giới thiệu robot Scara
- Tính toán các bài toán động học, động lực học của robot Scara
- Xây dựng kết cấu 2D cho robot bằng phần mềm AutoCad.
- Dựng mô hình 3D bằng Solidworks
- Tính toán ổ lăn, vít me đai ốc
- Chọn bộ truyền, động cơ, kích thước trục
- Cách bố trí ổ bi và trục
- Mô phỏng chuyển động của robot bằng phần mềm Matlab.
Qua đề tài trên em đã biết cách vận dụng những kiến thức chuyên môn được đào tạo ở trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong thời gian qua vào với thực tế cuộc sống nhất là với công nghiệp. Không chỉ vậy qua đồ án này em cũng học được rất nhiều như kĩ năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo... rất có ích cho sau này. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Thành cùng các thầy cô trong bộ môn đã giúp em hoàn thành đề tài này.
Do giới hạn về thời gian cũng như kiến thức trong đồ án này, em mới chỉ giải quyết một số vấn đề cơ bản trong việc thiết kế một robot ngoài ra còn rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết để có một sản phẩm robot hoàn thiện vì vậy em rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài này hoàn thiện hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!
88
TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo trình, bài giảng
89
1. Nguyễn Trọng Hiệp, “Chi tiết máy”. Nhà xuất bản giáo dục, 2006.
2. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. “Tính toán, thiết kế hệ thống dẫn
động cơ khí”. Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.
3. Phan Bùi Khôi, “Slide bài giảng Robotics”.
4. Sagar Behere, “The Design and Implementation of a Scara robot arm”.
Bachelor thesis, University Pune, 2002.
5. Engineered Timing Belts of Ammeraad Beltech. Nguồn Internet.
6. Ball Screw Cataloge of Rexroth Bosch Group. Nguồn Internet.
7. Technical Specifications HM-40**/AA. Nguồn Internet.
8. End Bearing of SKF. Nguồn Internet.