4.3 Lựa chọn vật liệu cho robot:
Ưu tiên của cánh tay robot là vừa nhẹ để đảm bảo tốc độ và qn tính đồng thời cần có độ cứng vững để có thể thao tác bền lâu mà khơng bị phá hủy. Có nhiều loại vật liệu như nhựa HPDE, sợi carbon fiber, gỗ ,... đáp ứng được các tiêu chí nhẹ, cứng và có giá thành tương đối rẻ. Trong luận văn này sẽ sử dụng vật liệu nhơm để sử dụng cho cánh tay robot. Nhơm có độ cứng vững theo khối lượng tốt hơn nhiều lần so với thép. Nhôm dễ gia công bởi các phương pháp gia công thông thường (tiện, phay, cnc,... ). Hợp kim nhôm 6061 được sử dụng trong luận văn này.
Vật liệu được sử dụng cho hầu hết các bộ phận của cánh tay robot là hợp kim
Nhôm 6061. Nhôm 6061 là một hợp kim nhôm cứng kết tủa, chứa magiê và silicon là các ngun tố hợp kim chính của nó. Nó có tính chất cơ học tốt, thể hiện khả năng hàn tốt và rất phổ biến (thứ hai chỉ phổ biến đến 6063
Bảng 4.3: Tính chất vật lý của nhơm 6061
Tính chất Giá trị
Khối lượng riêng 2700 (kg⁄m3)
Giới hạn chảy 275 (MPa)
Giời hạn bền 310 (MPa)
Độ cứng 95 (HB)
Mô đun đàn hồi 68,9 (GPa)
Mô đun trượt 26 (GPa)
Bộ phận đế của robot là nơi chịu tải trọng cho toàn robot. Vật liệu được chọn là thép AISI 304, cứng vững, nặng, được bán rộng rãi trên thị trường với kích thước đa
dạng. Ngồi ra các bộ phận mặt bích nối các khâu và động cơ cũng được làm bằng thép AISI 304 vì tính chất chịu lực trực tiếp từ trục động cơ.
4.4 Khối lượng của các khâu:
• Khâu 1 (Đế, Thân):
Bảng 4.4: Chi tiết và khối của khâu 1
Chi tiết Khối lượng
4 trụ chân vuông 7.28 kg Mặt đáy nhỏ 2.06 kg Mặt thân 30 độ 0.17 kg Mặt thân 0.14 kg Mặt bích 10mm 0.025 kg Mặt đáy lớn 4.48 kg Khớp nối mặt bích 0.98 kg • Khâu 2 (Vai) :
Bảng 4.5: Chi tiết và khới lượng của khâu 2
Chi tiết Khối lượng
Mặt bích 10mm 0.025 kg
2xChi tiết vai cánh tay 0.26 kg
Khớp tam giác 110 độ 0.02 kg
Thanh nối khới tam giác 0.02 kg
Thanh nối với khâu 4 0.02 kg
• Khâu 3 (Khuỷ tay):
Bảng 4.6: Chi tiết và khối lượng của khâu 3
Chi tiết Khối lượng
Mặt bích 10mm 0.025 kg
2xChi tiết khuỷ tay 0.20 kg
2x Chi tiết cam 1,2 0.08 kg
Thanh nối khủy tay 0.02 kg
• Khâu 4 (Bàn tay):
Bảng 4.7: Chi tiết và khối lượng của khâu 4
Chi tiết Khối lượng
Khung xương 40 độ 0.02 kg
Khung xương đối diện 0.01 kg
Lòng bàn tay 0.02 kg
4.5 Tải trọng, ứng suất tác động lên máy: Tải trọng: Tải trọng:
Tải trọng tác dụng lên máy và chi tiết máy bao gồm lực, momen và áp suất. Tải trọng là đại lượng vec tơ, được xác định bởi các thông số: cường độ, phương, chiều, điểm đặt và đặc tính của tải trọng.
Trong đó:
• Lực, được ký hiệu bằng chữ F, đơn vị đo là N , 1 N = 1 kg.m/s.
• Momen uốn, ký hiệu là M, đơn vị đo là Nmm.
• Momen xoắn, ký hiệu là T, đơn vị đo là Nmm.
• Áp suất, ký hiệu là p, đơn vị đo là MPa, 1 MPa = 1 N/mm2.
Phân loại tải trọng:
Tải trọng khơng đổi, là tải trọng có phương, chiều, cường độ khơng thay đổi theo thời gian. Sơ đồ của tải trọng khơng đổi biểu diễn trên Hình 4.5.
Tải trọng thay đổi, là tải trọng có ít nhất một trong ba đai lựơng (phương, chiều, cừơng độ) thay đổi theo thời gian. Trong thực tế tính tốn chi tiết máy, thường gặp loại tải trọng có cường độ thay đổi; sơ đồ của tải trọng thay đổi được biểu diễn trên Hình 4.6
Hình 4.6: Tải trọng thay đổi theo thời gian Ứng suất: Ứng suất:
Ứng suất là ứng lực xuất hiện trong các phần tử của chi tiết máy, khi chi tiết máy chịu tải trọng. Ứng suất là đại lượng vectơ, nó được xác định bởi phương, chiều, cường độ.
Đơn vị đo của ứng suất là MPa, 1 MPa = 1 N/mm2.
• Ứng suất được chia thành 2 nhóm:
Ứng suất pháp ký hiệu là σ. Ưng suất pháp có phương trùng với phương pháp tuyến của phân tố được tách ra từ chi tiết góc.
Ứng suất tiếp ký hiệu là τ. Ứng suất tiếp có phương trùng mặt phẳng của phân tố được tách ra từ chi tiết máy.
Ngồi ra, ứng suất cịn phân nhánh thành không đổi và ứng suất thay đổi. Ứng suất không đổi hay cịn gọi là ứng suất tĩnh, là ứng suất có phương, chiều, cường độ không thay đổi theo thời gian. Sơ đồ của ứng suất tĩnh được thể hiện trên Hình 4.7.
Ứng suất thay đổi là ứng suất có ít nhất một đại lượng (phương, chiều, cường độ) thay đổi theo thời gia Ứng suất có thể thay đổi bất kỳ, hoặc thay đổi có chu kỳ. Trong tính tốn thiết kế chi tiết máy, chúng ta thường gặp loại ứng suất thay đổi có chu ky tuần hoàn, hoặc gần như là tuần hoàn. Sơ đồ của ứng suất thay đổi tuần hoàn biểu diễn trên Hình 4.8.
Hình 4.7: Ứng suất khơng thay đổi theo thời gian
Hình 4.8: Ứng suất thay đổi theo thời gian
Phương trình ứng suất tổng quan:
σ = F A
(24)
Trong đó: σ là ứng suất, F là lực và A diện tích bề mặt.
4.6 Mơ phỏng ứng suất, chuyển vị:
Sử dụng đầu vào là tải lớn nhất ở các khớp. Tiến hành mơ phỏng trong solidworks simulation để tính ứng suất uốn, chuyển vị của các khâu dựa trên đồ bền uốn của vật liệu.
Dựa trên thơng tin vật liệu, cân nặng, kích thước của các khâu (mục 4.3,4.4). Tùy theo khối lượng của từng chi tiết mà có thể tính được tải trọng tương đương mà các khâu có thể chịu được.
Kết quả của thí nghiệm mơ phỏng này là nhằm mục đích xác định mức tải trọng (lực) mà các khâu có thể chịu được, khi ta giữ cố định 1 bậc tự do theo nguyên lý hoạt động của robot.
Mức tải trọng lý tưởng: bao gồm cân nặng của các chi tiết mà khâu phải chịu, lẫn khối lượng hàng mà Robot phải nâng đó là 500gram.
• Khâu 1: 15 N-20 N
• Khâu 2: 12 N-20 N
• Khâu 3: 5,5 N
• Khâu 9: 5,5 N
Việc xác định ứng suất và chuyển vị lớn nhất là vì mục đích đảm bảo kết cấu làm việc trong giai đoạn đàn hồi.
Giúp tối ưu hóa kết cấu các khâu nhằm phục vụ cho mục đích làm việc với năng suất cao nhất, hiệu quả nhất.
Hoàn thiện hơn về nặt thẩm mỹ của Robot
Xác định được những rủi ro, hư hỏng trong tương lai. Hỗ trợ thêm có việc tính tốn tuổi thọ của của Robot.
Hình 4.9: Mơ phỏng phân tích ứng suất khâu 2
• Sau khi mơ phỏng phân tích khâu 2, ta có kết quả:
Từ hình ảnh mơ phỏng ta có thể thấy đám mây ứng suất hình 4.10 đang có sự phá hủy nhỏ ở điểm max là 5.530e MPA vì mức độ ứng suất của nó cao hơn so với sự cho phép của vật liệu là 3.100e +02 MPA, dẫn tới hiện tượng uốn cong. Nhưng điều này chỉ xảy ra khi khâu này phải đứng yêu để chịu tải. Khâu 2 là khâu chuyển động liên tục nên việc bị phá hủy và biến dạng sẽ không xảy ra được (nhưng theo thời gian làm việc lâu dài thì hiện tượng phá hủy sẽ xảy ra).
Cịn hình 4.11, ta có thể thấy đám mây chuyển vị đang di chuyển và thay đổi từ vị trí đám mây xanh sang đám mây cam. Di chuyển theo hướng từ dưới lên trên vì chúng ta đang mô phỏng lực tác động phương ngang và giữ cố định vật theo phương thẳng. Nơi nào tác có lực dụng thì nơi đó sẽ có chuyển vị. Đám mây chyển vị lớn max là 3,.27e+01 MPA nhỏ hơn 2.1 so với mức độ cho phép của vật liệu.
Hình 4.12: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 3
• Sau khi mơ phỏng phân tích khâu 3, ta có kết quả:
Từ hình ảnh mơ phỏng ta có thể thấy đám mây ứng suất hình 4.12 khơng có sự phá hủy nào xảy ra vì đám mây ứng suất max và min đều nhỏ hơn mức độ ứng suất cho phép của vật liệu.
Cịn hình 4.13, ta có thể thấy đám mây chuyển vị cũng đang di chuyển và thay đổi từ vị trí đám mây xanh sang đám mây cam. Di chuyển theo hướng từ trên xuống. Sự chuyển vị ở đây xảy ra khá lớn vì đám mây lớn nhất max là 8.975e+00 MPA vượt cao hơn so với mức độ cho phép của vật liệu. Nhưng khơng có xảy ra sự biến dạng nào về mặt ngoại hình, vì theo trên hình, sự thay đổi duy nhất xảy ra là sự di chuyển vị trí ở phần chịu tác dụng lực.
Hình 4.13: Mơ phỏng phân tích ứng suất khâu 7
Hình 4.14: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 7
• Sau khi mơ phỏng phân tích khâu 7, ta có kết quả:
Từ hình ảnh mơ phỏng ta có thể thấy đám mây ứng suất hình 4.14 đang có sự phá hủy ở xung quanh rãnh đáy của chi tiết, do đám mây ứng suất màu cam xuất hiện
ở đó max là 6.364e+00 MPA cao hơn so với mức độ cho phép của vật liệu là 3.100e+02 MPA, Nhưng điều này chỉ xảy ra khi khâu này phải đứng yêu để chịu tải. Khâu 7 là khâu chuyển động liên tục theo cơ cấu di chuyển của robot nên việc bị phá hủy và biến dạng sẽ không xảy ra được (nhưng theo thời gian làm việc lâu dài thì hiện tượng phá hủy sẽ xảy ra).
Cịn hình 4.15, ta có thể thấy đám mây chuyển vị cũng đang di chuyển và thay đổi từ vị trí đám mây xanh sang đám mây cam. Di chuyển theo hướng dưới lên trên. Sự chuyển vị ở đây xảy ra khá nhỏ vì đám mây lớn nhất max là 3.356e+01 không vượt mức độ cho phép của vật liệu. Tuy nhiên ở đây cũng có sự thay đổi về vị trí ban đầu ở điểm đặt lực vì đây là nơi mà lực tác động vào.
Hình 4.16: Mơ phỏng sự chuyển vị khâu 1
• Sau khi mô phỏng khâu 1 xong và cho ra kết quả:
Từ hình ảnh mơ phỏng ta có thể thấy đám mây ứng suất hình 4.16 đang có sự biến dạng và thay đổi rất rõ rệt vì đám máy ứng suất max là 8.629e+08 MPA cao hơn so rất nhiều với 3.100e+02 MPA của vật liệu. Do lực chỉ tập trung vào phần khớp nối và không phân bổ lực đều ra xung quanh.
Cịn hình 4.17, Do việc ứng suất thay đổi khá rõ rệt nên điều đó cũng tác động đến sự thay đổi đám mây chuyển vị, khiến khu vực khớp nối có sự chuyển vị mạnh mẽ.
• Kết luận:
Thơng qua mơ phỏng lực tác dụng, hầu hết các khâu đều không ra sự phá hủy và biến dạng quá lớn, khi chịu tải (mức tải lý tưởng), ở một số khâu cũng xảy biến dạng, phá hủy và thay đổi nhưng khơng đáng kể. Vì các khâu đều có độ ứng suất và
chuyển vị nằm trong mức độ cho phép của vật liệu. Vì thế đảm bảo được độ bền của Robot khi gia công.
Nhưng ở khâu 1, sự phá hủy và biến dạng đã xảy ra, khiến cho chi tiết bị biến dạng và thay đổi về ngoại hình.
Với những khâu bị biến dạng, do sự tác động của tải trọng thì nhóm đã đưa ra phương án giúp giảm việc biến dạng xuống mức tối thiểu nhất. Xem ở phần 4.7
4.7 Cách khắc phục sự phá hủy và biến dạng ở các khâu:
Đối với khâu 1: Gắn thêm gối SKF FYJ 40mm, đóng vai trò hỗ trợ làm giảm lực tác động lên khâu 1 và đóng vai trị khớp trung gian giúp cố định thân với đế
Đối với các khâu còn lại thì chỉ cần thêm những bulong ở các khớp để cố định các chi tiết ở trong khâu. Giúp cho các khâu vững vàng, kiên cố hơn.
Thông số kỹ thuật:
• d = 40mm là đường kính vịng lỗ
• d1= 51.8mm là đường kính ngồi của vịng trong
• A = 36mm là chiều rộng tổng thể
• A1 = 14mm là chiều rộng mặt bích
• A3 = 3.2mm là chiều sâu rãnh định tâm
• B = 49.2mm là chiều rộng tổng thể ổ lăn
• B4 = 8mm là khoảng cách từ mặt hơng thiết bị khóa đến tâm ren
• L = 130mm là chiều dài tổng thể
• J = 102mm là khoảng cách lỗ bulong ở đế
Kết quả
Thơng qua tính tốn, mơ phỏng và thiết kế thì ta có hình dáng thiết kế đầy đủ của robot:
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
5.1 Sơ đồ hệ thống điện sơ bộ:
Hình 5.1: Sơ đồ điện tổng quát Sơ đồ hệ thống điện tổng quát gồm có 3 khối chủ đạo: Sơ đồ hệ thống điện tổng quát gồm có 3 khối chủ đạo:
Khối động cơ: Bao gồm 3 động cơ DC có gắn encoder, driver để giao tiếp giữa vi điều khiển và động cơ, van điện và camera nhận diện ảnh trả tín hiệu về máy tính
Khối cảm biến: Gồm stereo camera để thu nhận hình ảnh cho việc điều khiển. Khối mạch điều khiển: Gồm 1 mạch điều khiển trung tâm đảm nhận việc nhận tín hiệu từ camera và tiến hành phân tích đưa ra chuyển động cho động cơ đồng thời truyền tín hiệu quan sát đến máy tính thơng qua ROS network.
Khối nguồn: Gồm 2 nguồn chính là 24V để ni động cơ, nguồn 5V để nuôi vi điều khiển, driver, encoder.
5.2 Sơ đồ đấu nối:
Hình 5.2: Sơ đồ đấu nối linh kiện điện tử
• Nguyên lý hoạt động của sơ đồ đấu nối:
Nguồn 24 V được cấp vào mạch hạ áp Module DCLM25963A (24 V – 5 V), với đầu ra 5 V để nuôi Raspberry pi hoạt động điều khiển toàn bộ hệ thống.
Driver điều khiển động cơ DC Servo PID MSD_EM với nguồn cấp 5 V, điều khiển động cơ có encoder, có khả năng dị tìm thơng số của hệ thống từ đó đưa ra các chuẩn đoán về các hệ số điều khiển của động cơ.
Raspberry pi được kết nối với Driver điều khiển DC Servo PID MSD_Em lần lượt các chân PUL1, PUL2, PUL3 kết nối với GPIO 12, GPIO 13, GPIO 18 điều khiển cho động cơ 1, 2, 3 với:
DIR: Là chân đảo chiều với 2 giá trị 0 và 1: 0 quay cùng chiều kim đồng hồ , 1 quay ngược chiều kim đồng hồ.
Động cơ được kết nối với DC Servo PID MSD_EM với nguồn 24V là nguồn cấp cho động cơ được nối với đúng chiều từ chân P+, P- của driver. Động cơ được nối vào chân L, R. Encoder được nối vào các chân theo thứ tự chân B, A, 5 V, GND cấp tín hiệu và nguồn.
Switch: Có chức năng bật tắt khởi động cánh tay. Cơng tắc hành trình: Đưa tay máy về vị trí home Van điện: Dùng để hút chân khơng di chuyển đồ vật
Camera: gửi hình ảnh nhận được đến Raspberry Pi để tiến hành phân tích.
5.3 Lựa chọn động cơ:
Dựa theo kết quả chương 4 (4.10), tải lớn nhất tác động lên các khớp gắn động cơ cần thiết là:
ζ1max = 8,8875 Nm ζ2max = 3,5147 Nm ζ3max = 2,1213 Nm
Tiến hành lựa chọn sao cho moment xoắc tối đa lớn hơn 8,8875 Nm
Hình 5.4: Bản vẽ thiết kế Các thơng số của động cơ bao gồm: Các thông số của động cơ bao gồm:
• Khối lượng: 1000 gam
• Điện áp: 24 V DC • Tỉ số truyền 264:1 • Tốc độ qua giảm tốc: 30 vịng/phút • Encoder: 13 xung • Moment: 18 Nm • Cơng suất: 60 W
• Động cơ planet cao cấp, bền bỉ với thời gian. Hộp số mạnh mẽ với nhơng
ăn khớp trong chính xác, giảm tiếng ồn.
Kết luận:
Động cơ 24 V 60 W có gắn hộp số hành tinh và encoder đáp ứng đủ yêu cầu