Vật liệu: Thép C45.
Ứng suất dập: [σd]=100(MPa) ; Ứng suất cắt tính toán: [τc]=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= 2T
[d .lt(h−t1)]≤[σd](3.10) Điều kiện kiểm tra độ bền cắt theo công thức:
τc= 2T
Từ các thông số đã tính thay vào (3.) và (3.), ta có:
σd=27(MPa)<100(MPa)
τc=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=Mxmax
2 :
lol
2=708952 : 602 =1182(N)=1,182(kN).
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 động Cd được tính theo công thức:
Cd=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]:
V- Hệ số kể đến vòng nào quay, vòng trong quay V=1; kt- Hệ số ảnh ảnh hưởng của nhiệt độ, kt=1
kđ- Hệ số ảnh ảnh hưởng của đặc tính tải trọng, tra bảng H3. .Chọn kđ=1,5.
Hình 3.21 –Hệ số tải trọng kđ [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; Gọi Lh là tuổi thọ của ổ tính bằng giờ thì:
Lh=106. L/(60n)
Với n=111 vòng/phút, Lh=104 (giờ) với máy làm việc 1 ca.
L=Lh.60n
106 =66,6(triệu vòng)
Thay vào (3.12), khả năng tải trọng động của ổ là:
Cd=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.
T=∑(1 2Jiωi2+1 2mivCi2) Trong đó: ωi=∂(qi) ∂(t). T=18m1a12q˙12+12( 1 12m1q12q˙12)+12( 1 12m2q22(q˙1+ ˙q2)2)+¿ 1 2m2(a12 ˙ q12+1 4a22(q˙1+ ˙q2)2+a1a2q˙1(q˙1+ ˙q2)cosq2)+¿ 1 2m3(a12q˙12+1 4a22(q˙1+ ˙q2)2+a1a2q˙1(q˙1+ ˙q2)cosq2+ ˙q32) Thế năng của hệ: π=∑mighCi=m1gd1+m2gd1+m3g(d1+12d3−q3) Lực suy rộng: Qi=Ti−∂∂((qπ) i) Q1=τ1=T1;Q2=τ2=T2;Q3=τ3=M3
Phương trinh Lagrange cho hệ cơ cấu có dạng:
d dt ∂∂ Tq˙i−∂ T∂qi−Qi=0 Ta có: T1=[(1 3m1+m2+m3)a12+(m2+2m3)a1a2C2+(1 3m2+m3)a22]ε1+¿ [(1 3m2+m3)a1a2C2+(1 3m2+m3)a22]ε2−a1a2S2¿ −(1 3m2+m3)ω22¿(3.14) T2=−[(1 2m2+m3)a1a2C2+(1 3m2+m3)a22]ε1+(1 3m2+m3)a22ε2+¿ (1 )
Với m2=4,5(kg);m1=2,5(kg);a1=350(mm); a2=350(mm)
Thay vào (3.); T2=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;
nol – 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: Wđc2=T2ω2
μ =328,345(W)≈0,329(kW)
Với các thông số sau: Wđc2=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 rănga- Xác định mô đun và chiều rộng đai răng a- Xác định mô đun và chiều rộng đai răng
Mô đun m xác định bằng công thức:
m=35√3 P2 n2=35
3 √0,329
222 =3,99(mm)
Hình 3.24 – Bảng chọn mô đun [2] b- Xác định chiều rộng đai
Theo [2], chiều rộng đai xác định như sau:
b=ψđm(3.16)
Trong đó:
ψđ – Hệ số chiều rộng đai. ψđ dao động từ 6 đến 9.
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 răng z1của bánh đai nhỏ được chọn theo bảng (H3.26) nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai. Số răng của bánh đai lớn z2=u. z1với u=n1/n2=z2/z1.
Chọn z1=18 (răng). z2=u. z1=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:
amin≤ a≤ amax
Trong đó: amin=0,5m(z1+z2)+2m=116(mm); amax=2m(z1+z2)=432(mm) Số răng đai zđ=2a p + z1+z2 2 + (z2−z1)2p 40a =2pa+ z1+z2 2 + (z2−z1)2p 40a =46÷96 Chọn zđ=50(mm). Thay zđ=50(mm) ta có: a = 140 (mm) Chiều dài đai: lđ=p.zđ=12,57.50=628(mm)
da1=m z1−2δ=70,4(mm);da2=m z2−2δ=142,4(mm) Với δ=0,8.Tra bảng H(3.24).
Góc ôm đai:
α1=180°−[m(z2−z1)
a ].57,3°=150°
Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh đai nhỏ:
z0=z1α1
360 °=7,5(răng)
d- Tính toán kiểm nghiệm đai theo lực vòng riêng.
Lực vòng riêng trên đai phải thỏa mãn điều kiện:
q=FtKđ/b+qmv2≤[q](3.17) Trong đó: v- Tốc độ vòng quay, (m/s). v=n× π30×da1 2 ×10 −3=0,8(m/s) Ft- Lực vòng, N. Ft=1000P/v=1000.0,392/0,8=490(N)
qm- Khối lượng 1 mét đai có chiều rộng 1mm. qm=0,005(kg). Tra bảng (H3.27)
Hình 3.27 – Bảng tra qm [2]
Hình 3.28 – Bảng tra hệ số tải động [2]
Vậy q=1,1.490/25+0,005. 0,82=21,56(N/mm)≤[q]
Với [q]=[q0]CZCu>25.1,13 .1=28,25. Tra bảng (H3.28; H3.29)
Hình 3.29 – Bảng tra CZ;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 thước a× b
Hình 3.30 - Mặt cắt ngang khâu 1
Chọn vật liệu làm khâu 1:
Thép C45 (khối lượng riêng ρ=7850(kg/m3)) Giới hạn chảy:[σch]=360MPa
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)
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:
m23=m2+m3+mđc3=28,3(kg)
Momen tác dụng lên khâu 1:
M23=(m3+mđc3+W)× g× L2+m2× g×L2
2 =87,675(N .m)
Momen uốn lớn nhất tại ngàm:
Mmax=M23+m1tt× g×L21+m23× g× L1+mđc2× g×L21
Trong đó: m1 - khối lượng khâu 1, m1=2× ρ × a× b× L1×10−9(kg)
Ứng suất uốn lớn nhất: σmax1=Mmax J × b2(3.18) Với J=a× b3 12 Chọn a=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: σmax1=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).
Hình 3.31 – Biểu đồ mô men tác dụng lên khâu 1
Độ võng lớn nhất tại đầu B khâu 1 là:
∆ yB= 1 E Jx(1 2P23L1L12 3 L1+1 3 P1L1 2 L1 3 4L1+M23.L1L1 2 )=0,0097
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 ( [f1] mm có thể chọn dựa trên độ chính xác lặp theo trục z).
Độ võng lớn nhất trên khâu 1 là:
y1=0,0097≤[f1]=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
+ 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 là r=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: T1max=M .at.r=34,08.4,6.0,17=26,65(Nm)
Xác định đường kính trục sơ bộ:
d ≥√3 Tmax
0,2.[τ]=√3 26,65
0,2.30.106=0,0166(m)=16,43(mm)
Sơ đồ lực tác dụng:
Hình 3.32 – Biểu đồ lực và mô men tác dụng trục 1
Mxmax=M .g.l+F¿2.a/2=34,08.10 .170+357.90/2=74001(Nmm)
Tính chính xác đường kính trục d1:
d1≥√3 Mtđ
0,1.[σ](3.20)
Với:
Mtđ=√M2xmax+α .M2z=√M2xmax+α .T12max(3.21)
Trong đó: + α=0,75; + l=170(mm); + Mxmax=74001(Nmm); + [σ]=58; + T1max=26650(Nmm) Mtđ=77561(Nmm); d1≥23,73(mm)
Vậy ta chọn đường kính trục 1 có kích thước: d1=30(mm);d=18(mm)
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: Wđc1=T1ω1
μ =217,92(W)≈0,218(kW)
Với các thông số sau: Wđc2=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.
Mô đun m = 4, bước răng p = 12,57 (mm). Bước răng b = 25 (mm).
Chiều rộng bánh đai: B = 29 (mm). Số răng z1=18 (răng). z2=36 (răng).
Đường kính bánh đai: D1=72(mm); D2=144(mm). Chọn zđ=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 trong d1, đường kính ngoài d2)
Hình 3.33 - Mặt cắt ngang khâu 0
Vật liệu:
Gang xám GX12-28 (khối lượng riêng ρgang=7×10−6(kg/mm3))
3.4.2- Mô hình tải trọng và lực phân bố trên khâu 0
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+mđc2+mđc1+Tải=35,38(kg)
Momen uốn:
M123=g׿
(3.22)
Thay các giá trị đã cho vào (3.22), ta có M123=200340(Nmm)
Ứng suất uốn: σuốn=M123 Wx (3.23) Trong đó: Wx=π×d23 32×(1−α4),α=d1 d
Ứng suất nén: σnén=(m123+m0)× g S = (m123+m0)× g π 4(d22−d12) (3.24) Trong đó: m0=ρgang× L0× π4×(d22−d12) Chọn d1=140(mm);d2=160(mm); L0=340(mm).
Thay vào (3.22) và (3.23) ta có: σuốn=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
4.1- Thiết kế bản vẽ lắp cơ khí 4.1.1- 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
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.
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.