Mơ hình tính tốn được thiết lập như hình 3.1. Trong đĩ: A, B, C lần lượt là chiều dài, chiều rộng, bán kính quay lớn nhất của AGV.
Theo phân tích, ta cĩ được các điều kiện ràng=======>
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
{𝐴 ≤ 800 (𝑚𝑚)
𝐵 ≤ 800 (𝑚𝑚)
Với sai số dị line ±12mm, kết hợp việc tham khảo kích thước của KIVA Robot, chọn bề rộng B của AGV bằng 630 (mm) để luơn đảm bảo robot di chuyển được vào gầm kệ mà khơng bị cản bởi chân kệ.
Chiều cao của AGV lúc khơng nâng phải nhỏ hơn khoảng cách từ sàn đến mặt dưới cùng của kệ. Chọn H = 350 (mm)
Kết hợp tham khảo kích thước các loại AGV hoạt động trong nhà kho hiện đang cĩ trên thị trường bao gồm Kiva Robot với khả năng nâng tải lên đến 500kg, chọn chiều dài AGV được chọn là 740 (mm), chiều rộng 630 (mm), chiều cao khi khơng nâng H= 350 (mm).
3.3 . Tính tốn cơ cấu nâng – hạ
3.3.1 Tính tốn kích thước tấm nâng - hạ
Tấm nâng hạ là bộ phận tiếp xúc trực tiếp giữ AGV và kệ hàng. Tấm nâng hạ phải được thiết kế đảm bảo các yêu cầu sau:
- Giữ kệ hàng thăng bằng, khơng rung lắc trong quá trình robot nâng – hạ, di
chuyển.
- Khơng bị cong, vênh khi chịu lực từ tải kệ hàng.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
P1
Fn
Khi AGV tăng tốc, hoặc giảm tốc với gia tốc a=0.25 m/s2
Với :
+ P =500N : tải trọng do tải tác dụng
+ Fqt = m.a = 50.0,25 = 12,5 N : lực quán tính do q trình tăng tốc
+ M= Fqt.h = 12,5. 0.5 = 6,25 Nm : Moment do lực quán tính tác dụng tại biên bàn nâng
+ h = 500 (mm) : Chiều cao trọng tâm C của tải + b : Chiều rộng tấm nâng tính từ tâm xe
Để kệ hàng khơng bị lật khi tăng tốc và giảm tốc, cần đảm bảo điều kiện:
Fqt. h ≤ P. b => 𝑏 ≥ 𝐹𝑞𝑡
𝑃 =
12,5.0,5
500 = 0,0125
Kết hợp việc tham khảo từ các robot cĩ sẵn trên thị trường, chọn kích thước tấm nâng như sau : dài 500mm, rộng 400mm.
3.3.2 Tính tốn cơ cấu nâng – hạ
Tính tốn chọn Linear Actuator
Hình 3. 3: Phân tích lực cơ cấu nâng hạ F𝑛: 𝐿ự𝑐 𝑛â𝑛𝑔 F𝑛: 𝐿ự𝑐 𝑛â𝑛𝑔
P1 ∶ 𝑇𝑟ọ𝑛𝑔 𝑙ự𝑐 tả P: Trọng lực bàn nâng
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
Lực nâng cần thiết :
Fn = P1 + P = 50.9,81+0.5.9,81 = 496 (N)
Chọn xylanh điện XTL100 của hãng JUGETEK với các thơng số như sau : Bảng 3. 2: Thơng số xylanh điện
Tính tốn then chịu lực tại đầu trục Linear Actuator
3
1: Then chịu lực 3: Bàn nâng 2: Linear Actuator
Hình 3.4 : Sơ đồ then chịu lực
Then cĩ tiết diện hình trịn, chịu trách nhiệm truyền lực tác động từ xylanh lên bàn nâng, đồng thời chịu tải trọng của kệ hàng khi quá trình nâng đã hồn thành.
Thơng số Giá trị Điện áp 24VDC Dịng 1.5A Cơng suất 60W Tải trọng chịu dọc trục 9000N Vận tốc nâng 10mm/s Hành trình tối đa 100mm
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
Kết cấu then chịu lực cho phép bàn nâng nghiêng một gĩc nhỏ trong quá trình xe tăng tốc hoặc giảm tốc, tránh được lực hướng tâm tác động trực tiếp vào xylanh, cĩ thể gây cong vênh, gãy xylanh.
Mơ hình tính tốn :
30mm
Hình 3.5: Sơ đồ tính tốn then chịu lực quy về bài tốn sức bền Các thơng số đầu vào : Các thơng số đầu vào :
+ P=500N : Lực tập trung + L=30mm : Chiều dài then + D : Đường kính then
+ [𝜎] = 600 MPa Ứng suất uốn cho phép của thép C45 thường hĩa (tiêu chuẩn TCVN 8301_2009_901814)
Biểu đồ nội lực trong thanh :
30mm
Q
Hình 3. 6: Biểu đồ nội lực then
15mm 15mm 15mm 15mm 250 N 3.75 Nm
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Moment uốn gây ứng suất pháp lớn nhất :
𝜎𝑍 = 𝑀 𝑊 = 𝑀 𝜋𝐷3/32= 3.75 𝜋𝐷3/32= 120 𝜋𝐷3
Do hệ khơng cĩ moment xoắn nên ứng suất tiếp 𝜏 = 0 Điều kiện bền theo thuyết bền thứ ba:
√𝜎2+ 𝜏2 ≤ [𝜎] √1202 𝜋2𝐷6+ 0 2 ≤ 580 𝑀𝑃𝑎 ⟹ D ≥ 4.08mm Chọn D = 6mm Tính tốn chọn đường kính trục dẫn.
+ Nhiệm vụ : 4 trục dẫn cĩ chức năng dẫn hướng cho bàn nâng, đồng thời đảm
bảo độ cân bằng khi tải đặt lệch tâm và trong quá trình xe tăng tốc hoặc giảm tốc. + Mơ hình tính tốn :
1
Hình 3. 7: Sơ đồ lực tác dụng khi tăng, giảm tốc.
Trường hợp 1: Xe tăng tốc, hoặc giảm tốc với gia tốc a=0.25 m/s2
Fqt P
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Với :
+ P =500N : tải trọng do tải tác dụng
+ Fqt = m.a = 50.0,25 = 12,5 N : lực qn tính do q trình tăng tốc
+ M= Fqt.h = 12,5. 0.5 = 6,25 Nm : Moment do lực quán tính tác dụng tại biên bàn nâng
+ h : Chiều cao trọng tâm C của tải.
+ [𝜎] = 600MPa Ứng suất uốn cho phép của thép C45 thường hĩa Quy về bài tốn sức bền: Thanh chịu uốn
M
Với M=6.25 Nm, h = 150 mm Biểu đồ nội lực :
M
6.25 Nm
Moment uốn gây ứng suất pháp lớn nhất
𝜎𝑍 = 𝑀 𝑊 = 𝑀 𝜋𝐷3/32= 6.25 𝜋𝐷3/32= 200 𝜋𝐷3
Do hệ khơng cĩ moment xoắn nên ứng suất tiếp 𝜏 = 0
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Điều kiện bền theo thuyết bền thứ ba :
√𝜎2+ 𝜏2 ≤ [𝜎]
√1202
𝜋2𝐷6+ 0 ≤ 600 𝑀𝑃𝑎 𝑣ớ𝑖 ℎệ 𝑠ố 𝑎𝑛 𝑡𝑜à𝑛 𝑘 = 3
Suy ra D ≥ 5 𝑚𝑚 (1)
Trường hợp 2: Tải đặt lệch tâm
Xét trường hợp tải đặt lệch tâm tại vị trí nguy hiểm (cạnh ngồi của tấm nâng)
1
Hình 3. 8: Sơ đồ lực tải đặt lệch tâm + P =500N : tải trọng do tải tác dụng + P =500N : tải trọng do tải tác dụng
+ M = P.b = 500.0.25 = 120 Nm : Moment uốn do tải lệch tâm (tâm quay tại C) + b : bề rộng tấm nâng
+ [𝜎] = 600MPa Ứng suất uốn cho phép của thép C45 thường hĩa
Biểu đồ nội lực :
M
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Moment uốn gây ứng suất pháp lớn nhất :
𝜎𝑍 = 𝑀 𝑊 = 𝑀 𝜋𝐷3/32 = 125 𝜋𝐷3/32= 4000 𝜋𝐷3
Do hệ khơng cĩ moment xoắn nên ứng suất tiếp 𝜏 = 0 Điều kiện bền theo thuyết bền thứ ba :
√𝜎2+ 𝜏2 ≤ [𝜎]
√40002
𝜋2𝐷6 + 0 ≤ 600 𝑀𝑃𝑎 𝑣ớ𝑖 ℎệ 𝑠ố 𝑎𝑛 𝑡𝑜à𝑛 𝑘 = 3
Suy ra D ≥ 5 𝑚𝑚 (1)
Chọn D = 20 mm
3.3.3 Mơ hình thiết kế cơ cấu nâng
Hình 3. 9: Kết cấu cơ cấu nâng
3.3.4 Thiết kế - tính tốn kết cấu bánh xe dẫn động
AGV cĩ kết cấu 6 bánh, với 2 cặp bánh tự lựa được đặt hai đầu và 2 bánh dẫn động đặt giữa xe (được điều khiển bằng 2 động cơ DC encoder). Kết cấu cho phép xe di chuyển linh hoạt nhờ điều khiển tốc độ 2 bánh dẫn động, đồng thời cho phép khả năng quay tại tâm 1 gĩc tùy ý (2 bánh quay cùng tốc độ, ngược chiều nhau).
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
Hình 3. 10: Kết cấu xe AGV
Tuy nhiên một vấn đề đặt ra là 2 bánh dẫn động khơng những chịu trách nhiệm dẫn hướng cho AGV mà cịn cĩ nhiệm vụ chịu tải trọng khi AGV chịu tải trọng từ kệ hàng.
Mơ hình thiết kế được thiết lập như sau :
Bánh xe
Nối trục đàn hồi
Hình 3. 11: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu truyền động bánh xe Chọn nối trục mềm : Chọn nối trục mềm :
Nhằm triệt tiêu độ đảo, rung lắc, va đập do yếu tố khơng đồng tâm giữa trục động cơ và trục bánh xe, nối trục đàn hồi được lựa chọn đảm bảo các yếu tố sau :
Động cơ
Hộp giảm tốc
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
( )
- Chịu được moment xoắn : 1890 Nmm
Chọn nối trục đàn hồi cĩ các thơng số như sau :
T, Nm D0 L L1 dmax d1 d2 Tmax (Nm) 12.5 38 140 70 165 80 56 25 Tính tốn trục Tđc = 9,55.106Pđc nđc = 9,55.106 3, 78.10−3 = 1890 Nmm 19,1
Thép 45 cĩ b = 600MPa , ứng suất xoắn cho phép = 12 20MPa
Xác định sơ bộ đường kính trục thứ k : 𝑑𝑘 = √ 𝑇𝐾 0,2[𝜏] 3 𝑑 = √ 𝑇𝐾 0,2[𝜏] 3 = √ 1890 0,2. (12 ÷ 20) 3 = (7,79 ÷ 9,23)(𝑚𝑚)
Tra bảng 10.2 tài liệu [1] ta chọn sơ bộ đường kính trục và bề rộng ổ lăn theo tiêu chuẩn :
d1 = 20(mm);b1 = 15(mm)
Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên trục:
Hình 3. 12: Lực tác dụng lên trục bánh xe
30m
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Với : Fnt = (0, 2 0,3). 2Tdc D0 = (0, 2 0,3). 2.1890 = (25, 2 37,8) N 30 Chọn Fnt = 35 N Tính tốn ổ lăn Tìm phản lực tại các gối đỡ : N = P = 1000 = 167N 6 6 Mx My
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ 3 M 10 td 0,1.[ ] = 10 = 11 A Đường kính các đoạn trục:
Theo bảng 10.5 tài liệu [1] với d1=20mm = 65MPa
td = 1944,6Nmm td = 5270,6Nmm d10 = 6,87mm ; d11 9, 6 mm Với hệ số an tồn k=3 Do đĩ theo kết cấu ta chọn: d10 = 20 mm ; d11 = 25mm
Vậy kết cấu trục được hình thành để đảm bảo độ bền và bánh xe cĩ thể gá đặt được vào trục như sau:
M10
Hình 3. 14: Kích thước trục bánh xe
3.3.5 Tính tốn ổ lăn
Thời gian làm việc Lh = 9600 (h) Số vịng quay n1 = 19,1(vg / ph) .
Tải trọng tác dụng lên các ổ:
+ Tải trọng hướng tâm tác dụng lên ổ A:
F R = = = 170, 6N
Do trục bánh xe chịu lực hướng tâm do trọng lượng của Robot tác dụng, vì vậy ổ đũa trụ ngắn đỡ được sử dụng. Kí hiệu ổ d (mm) D (mm) B (mm) C (kN) C0 (kN) 2204 20 47 14 11,9 7,38 M M 25 40 25 20 15
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ Kiểm tra bền:
Do khơng cĩ lực dọc trục, nên ta chọn Kt = 1, K = 1, V =1, X=1, Y=0
Tải trọng quy ước:
Q = (1.N + 0.0).1.1 = N = 167(N )
Thời gian làm việc tính bằng triệu vịng quay:
L = 60Lhn 60.9600.19,1 106 = 10 6 = 11(triệu vịng) Khả năng tải động tính tốn: C = Q = 167 . = 371, 4( N )
Vì Ct C =11,9 kN nên ổ đảm bảo khả năng tải động
3.3.6 Tính tốn cơng suất động cơ
Tốc độ quay
Truyền động từ động cơ – hộp số – bánh xe. Rbánh xe = 150 mm
Hình 3. 15: Mơ hình phân tích lực bánh xe Chọn động cơ cĩ vận tốc sau khi qua hộp giảm tốc > 19,1 vg/ph. Chọn động cơ cĩ vận tốc sau khi qua hộp giảm tốc > 19,1 vg/ph.
Cơng suất
Thơng số:
Khối lượng bánh xe mbánh = 0,5 kg Khối lượng tổng tải = 50+50 = 100 kg
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
44 Khối lượng bánh xe mbánh = 0,5 kg
Khối lượng tổng tải = 50+50 = 100 kg
Tính tốn tại đầu ra hộp giảm tốc:
Moment bánh xe cĩ thể tính gần đúng:
l = 1 mR2 2 Cân bằng moment quanh tâm bánh xe, ta cĩ:
𝜏 − 𝐹𝑚𝑠𝑅 = 𝑙𝛾
𝜏 = 𝑙𝛾 + 𝐹𝑚𝑥𝑅
Phương trinh định luật 2 Newton theo phương ngang :
𝐹𝑚𝑠 = (𝑚 +𝑀 2) 𝑎
𝐹𝑚𝑠 = (2𝑚+𝑀)𝑎
2
Thay 𝐹𝑚𝑠 vào phương trình moment ở trên ta được :
𝜏 = 𝑚𝑅 2 2 𝛾 + (2𝑚 + 𝑀)𝑎𝑅 2 𝜏 = 𝑎𝑅 (𝑚𝑅 2 2 + 𝑚 + 𝑀 2) = 0,25.0,15 ( 0,5.0,152 2 + 0,5 + 100 2 ) = 1,89 𝑁𝑚
Điều kiện để bánh xe khơng bị trượt khi động cơ quay, monent 𝜏 phải thỏa điều
kiện sau : 𝜏 ≤ 𝑙𝛾 + 𝜇 (1 2𝑀 + 𝑚) 𝑔𝑅 𝜏 ≤ 1 2𝑚𝑅 2𝛾 + 𝜇 (1 2𝑀 + 𝑚) 𝑔𝑅 𝜏 ≤ 1 20,5.0,15 2. 0,15.0,25 + 0,8 (1 2100 + 0,5) 9,81.0.15 = 59,45𝑁𝑚
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
Điều này cĩ nghĩa với thơng số đầu bài, xe chạy với moment < 59,45Nm sẽ khơng cĩ hiện tượng trượt.
Cơng suất mỗi động cơ cần cung cấp sơ bộ:
Hệ số an tồn = 3 P = 3.3,78 = 11,34 W
P=𝜏𝜔 =1,98x 19,1x2𝜋
60 = 3,78 𝑊
Chọn động cơ DC servo F5D60-12 5GN50K cĩ gắn hộp giảm tốc với các thơng số như sau: Bảng 3. 3: Thơng số động cơ Thơng số Giá trị Điện áp 24V Dịng 2,5A Cơng suất 60W Moment 12,4 Nm Tốc độ 225 rpm 3.3.7 Kết cấu tổng thể cụm bánh xe Hình 3. 16: Cụm bánh xe
Hình 3.16 thể hiện các chi tiết được sử dụng để lắp ghép trục bánh xe. Ổ đũa được lắp ghép với gối đỡ, sử dụng vịng găng để chặn trục, khơng cho trục di chuyển dọc trục. Bánh xe được lắp chặt với trục thơng qua cơ cấu bạc chắn, sử dụng đai ốc để định vị. Động cơ được kết nối với trục bánh xe nhờ nối trục mềm, nhằm loại trừ độ
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
3.4 . Tổng kết
Tên chi tiết, cụm chi tiết Hình thiết kế 3D
XE TỰ HÀNH CĨ DẪN HƯỚNG (AGV) - Cụm nâng –hạ - Cụm bánh xe - Kết cấu xe CỤM NÂNG - HẠ
Bao gồm xylanh nâng, kết cấu 3 tầng: mặt đế (tầng dưới cùng), mặt định vị (tầng 2), mặt nâng (tầng 3). Tầng 2: lắp cụm dẫn hướng cho cơ cấu nâng, gồm 4 trục dẫn hướng, liên kết với tầng 1 bằng 2 trụ định vị và 4 ty-ren. + Xy lanh + 4 trục + 4 bạc dẫn hướng + 4 ty ren + 2 trụ lên từng CỤM BÁNH XE + Động cơ + Gá động cơ + Nối trục + Ổ trụ ngắn đỡ + Bánh xe
KẾT CẤU BÊN TRONG TỒN BỘ XE
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Với kết quả đã đạt được ở chương 3, để robot cĩ thể hoạt động trong nhà kho cần một hệ thống điện ổn định. Chương 4 sẽ tiến hành lựa chọn các thiết bị, xây dựng hệ thống điện cho robot.
4.1 . Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống 4.1.1 Mơ-đun giao tiếp dữ liệu 4.1.1 Mơ-đun giao tiếp dữ liệu
Yêu cầu
Trong quá trình AGV hoạt động trong nhà kho, việc giao tiếp truyền nhận dữ liệu giữa robot và máy tính là yếu tố bắt buộc, nhằm kiểm sốt tốc độ, vị trí của robot trong mơi trường nhà kho rộng lớn, hoặc xử lý các trường hợp khẩn cấp. Đồng thời gửi các lệnh để điều khiển robot hoạt động theo yêu cầu thơng qua ứng dụng được viết trên máy tính.
Các yêu cầu đối với mơ đun truyền nhận dữ liệu như sau:
- Cĩ khả năng truyền nhận trong phạm vi rộng lớn, bao phủ được hết tồn bộ diện
tích nhà kho
- Cĩ khả năng kết nối, giao tiếp với máy tính
- Truyền nhận dữ liệu ổn định
Lựa chọn
Dựa trên các yêu cầu được nêu, lựa chọn phương án truyền thơng qua sĩng WIFI. Mơ đun thu phát wifi BLE SoC ESP32 V1 được sử dụng.
ESP32 cho phép hoạt động ở 2 bộ giao thức: TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol)
TCP hoạt động theo hướng kết nối (connection-oriented), trước khi truyền dữ liệu giữa 2 máy, nĩ thiết lập một kết nối giữa 2 máy theo phương thức “bắt tay 3 bước (three-way-hand-shake)” bằng cách gửi gĩi tin ACK từ máy đích sang máy nhận, trong suốt q trình truyền gĩi tin, máy gửi yêu cầu máy đích xác nhận đã nhận đủ các gĩi tin đã gửi, nếu cĩ gĩi tin bị mất, máy đích sẽ yêu cầu máy gửi gửi lại, thường
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
được đầy đủ các gĩi tin mà máy gửi gửi đi, vì vậy truyền dữ liệu chậm hơn UDP nhưng đáng tin cậy hơn UDP.
UDP hoạt động theo hướng khơng kết nối (connectionless), khơng yêu cầu thiết lập kết nối giữa 2 máy gửi và nhận, khơng cĩ sự đảm bảo gĩi tin khi truyền đi cũng như khơng thơng báo về việc mất gĩi tin, khơng kiểm tra lỗi của gĩi tin, truyền dữ liệu nhanh hơn UDP do cơ chế hoạt động cĩ phần đơn giản hơn tuy nhiên lại khơng đáng tin cậy bằng TCP.
Từ các phân tích trên, nhận thấy rằng q trình truyền nhận dữ liệu từ AGV đến máy tính khơng địi hỏi tốc độ cao, mà ưu tiên hơn ở độ tin cậy, ổn định, dữ liệu khơng bị mất trong quá trình truyền nhận. Vì vậy giao thức TCP được lựa chọn làm giao thức truyền thơng giữa mơ đun ESP32 và máy tính thơng qua sĩng WIFI.
Bảng 4. 1: Thơng số mơ đun ESP32
Thơng số Giá trị
IC chính Wifi BLE Soc ESP32
Điện áp sử dụng 2.2V – 3.6 VDC
Dịng điện sử dụng 90mA
Wifi 8002.11 b/g/n/d/e/i/k/r