Tiêu chí đánh giá Trọng số Điều khiển tập
trung
Điều khiển phân cấp Giải thuật đơn giản, dễ chỉnh
sửa
1 0 1
Tiết kiệm chi phí 1 1 0
Tốc độ đáp ứng 1 0 1
Khối lượng nhỏ gọn 1 1 0
Điều kiện triển khai 1 1 0
Tổng điểm 3 2
Dựa trên những phân tích đánh giá trên, phương án điều khiển tập trung được lựa chọn.
2.8. Tổng kết
Qua q trình phân tích và đánh giá các phương án thiết kế. Chương 2 đã đưa ra được các phương án thiết kế kết cấu xe, bộ phận nâng hạ kệ hàng, chọn xylanh, thiết bị định vị vị trí và phương án điều khiển cho robot. Các phương án thiết kế được lựa chọn sẽ là cơ sở để thiết kế cơ khí và hệ thống điện sẽ được trình bày ở chương 3 và chương 4.
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Bảng 2. 8: Tổng kết các phương án lựa chọn
Đặc tính yêu cầu Phương án được lựa chọn
Phương án di chuyển 2 bánh chủ động, 2 bánh tự lựa
Phương án cơ cấu nâng Nâng trực tiếp bởi xylanh
Phương án sử dụng xylanh Xylanh điện
Phương án thiết bị định vị Mã thẻ RFID
Phương án điều khiển Bộ điều khiển tập trung
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Kết cấu cơ khí là điều kiện quan trọng nhất quyết định khả năng hoạt động của robot, đảm bảo robot di chuyển ổn định, chịu được tải trọng yêu cầu. Robot cần phải cĩ một kết cấu cứng vững, kích thước phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụ của đề tài.
Chương 3 sẽ tiến hành thiết kế cơ khí cho cơ cấu nâng – hạ, tính tốn bền cho kết cấu, tính tốn và lựa chọn động cơ.
3.1 Yêu cầu bài tốn
AGV được thiết kế cĩ khả năng nâng – hạ kệ hàng với tải trọng tối đa 50kg. Thơng số kệ hàng theo tiêu chuẩn kệ hàng của tập đồn Amazon (Mỹ) và các thơng số yêu cầu đối với AGV được thiết kế như sau:
Bảng 3.1: Thơng số thiết kế AGV
Thơng số Giá trị
Kệ hàng
Chiều dài 800mm
Chiều rộng 800mm
Chiều cao 2000mm
Khoảng cách giữa hai kệ liên tiếp 250mm
Khoảng cách từ mặt sàn tới mặt dưới cùng của kệ
360 (mm)
Cụm di chuyển
Vận tốc tối đa vmax = 0.3 (m/s)
Gia tốc lớn nhất amax = 0.25 (m/s2)
Hệ số ma sát 𝜇 = 0.8
Gĩc cua 𝛼 = 90𝑜
Sai số bám line lớn nhất ±12 (mm)
Sai số dừng ±10 (mm)
Cụm cơ cấu nâng
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ CƠ KHÍ
Tốc độ nâng vnâng = 10 (mm/s)
Khối lượng xe (ước lượng) Mxe = 50 (kg)
3.2 . Tính tốn kích thước cho AGV
Trong quá trình hoạt động, AGV tiến hành vận chuyển kệ hàng đến vị trí mong muốn theo nguyên tắc như sau:
AGV di chuyển xuyên qua gầm kệ hàng, và dừng khi tâm xe trùng với tâm kệ, cơ
cấu nâng bắt đầu hoạt động nâng kệ hàng khỏi mặt đất. Trong quá trình cua 90o, robot
hạ kệ hàng tiếp xúc mặt đất, quay một gĩc 90o , sau đĩ nâng kệ hàng lên và tiếp tục di
chuyển thẳng.
Dựa theo nguyên lý trên, kích thước của AGV phải đảm bảo sao cho robot cĩ khả
năng di chuyển vào gầm kệ hàng và quay được một gĩc 90o trong gầm kệ mà khơng bị
cản trở bởi 4 chân kệ.
800
800
Hình 3. 1: Mơ hình tính tốn kích thước robot
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 vòng) 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,