Chế độ làm việc của máy với các trục

6.2 .Tính tốn lựa chọn trục vítme bi

6.2.5 Chế độ làm việc của máy với các trục

Chế độ

Khi đầu gắp có tay kẹp

(V2 = 7m/ph) Khi đầu gắp không

(V1 = 10m/ph)

Bảng 1.1 Chế độ làm việc của máy đối với trục Z0 , Z1 ,Z2

6.2.6 Tính tốn tải trọng động Ca

Ta tính được tải trọng động của các trục như sau: *Trục Z0 Caz0 = (60 × N m × Lt )1/3 × Fz0× fz0 × 10-2 = (60 × 1640× 25000)1/3× 200,4× 0,4× 10-2 = 1082 *Trục Z1 Caz1 = (60 × N m × Lt )1/3 × Fz1× fz1× 10-2 = (60 × 1640× 25000)1/3× 123,3× 0,3 × 10-2 = 498 *Trục Z2 Caz2= (60 × N m × Lt )1 /3 × Fz2× fz2 × 10-2 = (60 × 1640× 25000)1/3× 61,65× 0,15× 10-2 = 124,83 6.2.7 Chọn bán kính trục vít

Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động.

+Trục Z0

L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát = 1500 +50 + 100 = 1650 mm.

Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động→ f = 15,1

Tốc độ quay của động cơ 2000 rpm. Đường kính trục vít:

drz0 ≥n× L 2 × 10-7= 2000 × 16502 × 10-7 = 36 mm

f 15.1

+Trục Z1

L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát

= 1500 + 50 + 100 = 1650 mm.

Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động → f = 15,1 Tốc độ quay vịng của động cơ 2000 rpm

Đường kính trục vít:

drz1 ≥n× L 2 × 10-7= 2000 × 16502 × 10-7 = 36 mm

f 15.1

+Trục Z2

L = tổng chiều dài di chuyển max + chiều dài ổ bi+ chiều dài vùng thoát

= 1000 + 50 + 100 = 1150 mm.

Kiểu ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động → f = 15,1 Tốc độ quay vòng của động cơ 2000 rpm

=> Chọn drz0 = 40mm. Chọn drz1 = 40mm. Chọn drz2 = 20mm.

6.2.8 Chọn vít me bi

Từ yêu cầu về tải trọng động, đường kính trục vít me. Tra theo Catalog của hãng

Trục Z0 Z1 Z2

Các vít me trục Z0, Z1 có sự thay đổi bước vít, bước vít tăng lên tuy nhiên khơng ảnh hưởng đến việc chọn tốc độ động cơ ở.

6.2.9 Kiểm tra sơ bộ

Tuổi thọ làm việc: Lt=( +Trục Z0 Tuổi thọ làm việc: Lt=( 5399 = ( = 94302 h > 25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × drL2 × 107 = 15.1 × 36,82516502 × 107 = 2042

- Trong đó dr là đường kính lõi ren trục vít: dr = 40 – 6,352 = 36,825 mm

Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế. Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn.

+Trục Z1

52 Lt=( = ( = 4x105 h > 25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × drL2 × 107 = 15.1 × 36,82516502 × 107 = 2042

- Trong đó dr là đường kính lõi ren trục vít: dr = 40 – 6,352 = 36,825 mm

Tốc độ này lớn hơn so với tốc độ quay lớn nhất được thiết kế. Do vậy lựa chọn như trên thỏa mãn. + Trục Z2 Tuổi thọ làm việc: Ca Lt=( Fz 2 × f w = 76800 h >25000 h Tốc độ quay cho phép: n = f × drl2 × 107 = 15.1 × 18,412511502 × 107 = 2102 vg/ph.

- Trong đó dr là đường kính lõi ren trục vít:

6.3.Tính tốn lựa chọn ổ bi

Ta chọn phương án bố trí ổ bi là một đầu cố định, một đầu tùy động cho cả ba trục:

Hình 5. 5 Sơ đồ lắp ổ bi

Dựa vào đường kính trục vitme, ta chọn sơ bộ thơng số ổ bi đỡ một dãy và ô đỡ chặn của hãng SKF cho các trục Z0, Z1, Z2:

+Ổ lăn trục Z0, trục Z1

Hình 5. 10 Ổ đỡ chặn 7411 BEP(SKF)

6.3.1.Kiểm nghiệm độ bền với trục Z0

-Với ổ đỡ chặn 7411:

+Trong đó:

V = 1 (do vịng trong quay)

kt=1 Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ ( <105℃)

kd =1.1 (chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn và tới 125% so với tải tính tốn: máy cắt kim loại, động cơ cơng suất nhỏ và trung bình)

ỞỞ̉ đây coi lực hướng tâm được các ray dẫn hướng chịu hết nên coi lực hướng tâm tác dụng lên ổ không đáng kể, lấy X=0,Y=1.

Tổng hợp lực dọc trục :

Do Fr có thể bỏ qua nên : Fa= Fat=200.4 N

Nên: Q = Y.Fat.k t.k d = 1.200,4.1.1,1 = 220,44 N = 0,22kN

Tuổi thọ tính theo triệu vịng: có thể lấy n = 1000 v/ph vì có lúc Robot nghỉ và tốc độ lúc chậm , lúc nhanh

L=

60. N . Lt

C

d = Q. L

→ Đảm bảo khả năng tải động.

Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:

Với ổ bi đỡ - chặn ta có :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47 Ta được:

Q

t=X 0.Fr + Y 0.Fa = 0,5.0+ 0,47.200,4 = 94,19 N = 0,094 kN <C0= 76,5kN

→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.

Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.

6.3.2. Kiểm nghiệm độ bền với trục Z1

-Với ổ đỡ chặn :

+ Kiểm nghiệm khả năng tải động:

Tải trọng động của ổ lăn : .

Trong đó:

kt=1 Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ ( <105℃)

kd =1.1( chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn và tới 125% so với tải tính tốn: máy cắt kim loại, động cơ cơng suất nhỏ và trung bình)

Ổ bi chặn ta có : X=0,Y=1 Tổng hợp lực dọc trục :

Do Fr có thể bỏ qua nên : Fa= Fat= 123,3N

Nên: Q = Y.Fat.k t.k d = 1.123,3.1.1,1 = 135,63 N = 0,1356kN Tuổi thọ tính theo triệu vịng:

L=

60. N . Lt

Cd = Q. L

→ Đảm bảo khả năng tải động. + Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:

Với ổ bi đỡ α=12 0 ta được :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47 Ta được:

= 0,06 kN<C0= 76,5kN

→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.

- Với ổ đỡ

Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.

6.3.3 Kiểm nghiệm độ bền với trục Z2

-Với ổ đỡ chặn 7202:

Kiểm nghiệm khả năng tải động:

Tải trọng động của ổ lăn : .

+Trong đó:

V = 1 (do vịng trong quay)

kt=1 Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ ( <105 )

kd =1.1 (chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn và tới 125% so với tải tính tốn: máy cắt kim loại, động cơ cơng suất nhỏ và trung bình)

ỞỞ̉ đây coi lực hướng tâm được các ray dẫn hướng chịu hết nên coi lực hướng tâm tác dụng lên ổ không đáng kể, lấy X=0,Y=1.

Tổng hợp lực dọc trục : Tổng hợp lực dọc trục :

Do Fr có thể bỏ qua nên : Fa= Fat=61,65 N

Nên: Q = Y.Fat.k t.k d = 1.61,65.1.1,1 = 67,815 N = 0,068kN

Tuổi thọ tính theo triệu vịng: có thể lấy n = 1000 v/ph vì có lúc chạy lúc không, lúc chậm , lúc nhanh

L=

Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh:

Với ổ bi đỡ - chặn ta có :X0 = 0,5 và Y0 = 0,47 Ta được:

Qt=X 0.Fr + Y 0.Fa = 0,5.0+ 0,47.61,65 = 29 N = 0,029 kN<C0= 4,4kN

→ Đảm bảo khả năng tải tĩnh.

- Với ổ đỡ 16101 :

Vì lực hướng tâm nhỏ (do lực này được 2 ray dẫn hướng chịu) nên ta có thể bỏ qua và ổ đỡ đủ bền.

6.4. Tính chọn động cơ6.4.1. Thơng số kỹ thuật 6.4.1. Thơng số kỹ thuật + Tốc độ vịng lớn nhất nmax = Với cánh quạt = 10m/ph. h: bước vitme = 5 mm.

+ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a= 0,4.g = 4 m/s2. + Thời gian hoạt động: Lt = 25000h (khoảng 5,7 năm).

+ Chọn động cơ bước để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục.

Ta chọn sử dụng ba động cơ giống nhau cho cả ba trục. Vì trục Z0 là trục chịu tải vmax: vận tốc chạy lớn nhất khi đầu gắp khơng có

+ Gia tốc trọng trường g = 10 m/s2.

+ Khối lượng của phần dịch chuyển là m = Wy = 40 kg.

+ Góc nghiêng của trục α = 0o.

+ Tỉ số truyền giảm tốc i = 1. (do chọn phương án động cơ truyền động tới vít- me khơng qua hộp giảm tốc)

+ Hiệu suất của động cơ: chọn η = 0.9. + Ngoại lực tác dụng: Fm = 0 N.

*Tính momen cản do ma sát trên khớp nối động cơ:

M =m× g× μ× h×cosα

fric2× π× i× η

=40 × 10 × 0.12 × 0.005 × cos0 = 0.042

2×π×1×0.9

N.m

*Tính momen phát sinh do truyền động khơng đồng trục: M=wzm× g× h ×sinα2 × π ×i× η = 0 N.

*Tính vận tốc dài:

Với đường kính trục vít được chọn là 40mm, ta có:

v

max =

60× 1000

*Tính momen cản do ma sát của phần dịch chuyển gây ra:

M =μ . Fa . d

= 0,05.200,4.20.10^-3 = 0,2 N.m

mach max 2

*Tính momen cần thiết để mở máy: Mstat = Mfric + Mwz + Mmach

= 0,042 + 0 + 0,2 = 0,44 N.m

 lựa chọn động cơ bước

Dựa vào momen khởi động của động cơ và tốc độ tối đa, ta chọn loại động cơ

6.5. Tính chọn ray dẫn hướng

6.5.1.Ray dẫn hướng (linear guide)

Hệ thống ray dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của bàn theo phương X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của đầu dao.Yêu cầu của hệ thống ray dẫn hướng phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, khơng có hiện tượng dính, trơn khi trượt.

Có 2 loại ray dẫn hướng thơng dụng : ray vng, ray trịn.Có nhiều hãng sản xuất như: THK của Nhật, HIWIN của Đài Loan.

- Ray trịn có 2 loại: ray trịn khơng đế, ray trịn có đế. So với ray vng loại ray trịn có rất nhiều nhược điểm: máy chạy rung rất nhiều, nhanh phá hỏng trục tròn, chịu tải thấp…Nhưng giá thành rẻ nhơn nhiều so với ray vuông, nếu sử dụng cho các loại máy cnc cỡ nhỏ có thể sử dụng được.

Hình 5. 3. Ray trượt trịn khơng đế

- Ray vng có giá thành cao hơn so với ray trịn nhưng có ưu điểm hơn hẳn Ray

vng hoạt động êm hơn, chịu được tải trọng lớn, tuổi thọ, tuy nhiên đi kèm là giá thánh cao.

6.5.2. Tiến trình tính toán

- Từ điều kiện làm việc như khối lượng đặt lên ray, vận tốc, gia tốc,…ta tính tốn các thơng số về thời gian, quãng đường khi cho cầu máy dịch chuyển trên hành trình, bao gồm :

- Tải trọng tác động lên từng con trượt.

-Tải trọng tĩnh C0 , từ đó tính tải trọng động cho phép C. -Tính tốn, kiểm nghiệm tuổi thọ danh nghĩa.

Nếu không thỏa mãn tuổi thọ danh nghĩa, ta chọn lại ray dẫn hướng. a) Tínhchọn ray dẫn hướng trục Z0

Xác định điều kiện làm việc:

Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục Z0 : WZ0 = 20 (kgf). Tốc độ chạy không lớn nhất: v=10m/ph

Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau: Chon sơ bộ khoảng cách c = 160 mm, d=160 mm.

Hình 5. 5. Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y Trong đó: Ngoại lực F = 0 (N); WZ0 = 20 (kgf) P1=P2=P3=P4 =W 4Z 0 =20 4 =5 (kgf) Tải trọng tính tốn: P=max(P1 ,P 2 ,P 3 , P 4 ¿ =5 (kgf) Tải trọng tĩnh:

là hệ số an tồn tĩnh cho tải trọng đơn. Lấy

C

0=5.3=15 (kgf)

b)Tính tốn đường dẫn hướng cho trục Z1 Xác định điều kiện làm việc:

Hình 5. 15. Sơ đồ lực tác dụng lên trục Z1

Chon sơ bộ khoảng cách c=100mm, d=160mm, h=50mm. Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ: Trong đó: ngoại lực F = 0 (N); Wz = 30 (kgf) P1=P2=P3=P4 =W 2..dh = 30. 2.16050 =4,69 (kgf) Do đó tải trọng tính tốn: P=max(P1 ,P 2 ,P 3 , P 4 ¿ =4,69 (kgf) Tải trọng tĩnh :

là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn. Lấy

C0=4,69.3=14,07 (kgf)

c)Tínhchọn ray dẫn hướng trục Z2

Xác định điều kiện làm việc:

Khối lượng bàn máy, các cột liên kết dẫn động theo trục Z2 : WZ2 = 15 (kgf). Tốc độ chạy không lớn nhất: v=10m/ph

Lực tác dụng lên mỗi Block của ray trượt được tính theo sơ đồ sau: Chon sơ bộ khoảng cách c = 90 mm, d=90 mm.

Hình 5. 16. Sơ đồ lực tác dụng lên trục Z2

Hình 5. 17. Sơ đồ lực tác dụng lên ray dẫn hướng trục Y

Trong đó: Ngoại lực F = 0 (N); WZ0 = 6,1 (kgf) P1=P2=P3=P4 =W 4Z 0 =6,1 4 =1,53 (kgf) Tải trọng tính tốn: P=max(P1 ,P2 ,P3 , P4 ¿=1,53 (kgf) Tải trọng tĩnh:

là hệ số an toàn tĩnh cho tải trọng đơn. Lấy

C0=1,53.3=4,59 (kgf)

72

Trục Z0 Z1 Z2

Dựa vào tải trọng tĩnh tính tốn được ở bảng trên ta chọn vít me TRS15VN của hãng TBI với các thơng số sau.

Hình 5.18. Vít me TBI

+ Chiều dài ray

 LZ0 = 1550mm

CHƯƠNG 7. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

7.1 Chọn luật điều khiển

ỞỞ̉ phần này, nhóm sẽ trình bày về hệ thống điều khiển cho robot đã được thiết kế và tính tốn ở các phần trên. Bài toán điều khiển là bài toán rất quan trọng, một hệ thống nếu được thiết kế tốt sẽ giúp cho quá trình làm việc của robot có hiệu quả và độ chính xác cao.

Có nhiều phương pháp điều khiển từ cổ điển đến hiện đại để áp dụng cho robot, nhưng trong khuôn khổ báo cáo này nhóm đề xuất áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên mơ hình động lực học đã được nêu ở phần trước . Đây là phương pháp điều khiển đơn giản nhưng mang lại hiệu quả tương đối tốt cho hệ thống.

ỞỞ̉ đây nhóm sẽ sử dụng bộ điều khiển PD + Lực như đã được học trong môn robotics với biểu thức và sơ đồ điều khiển như sau:

7.2 Mơ phỏng bằng Matlab

Hình 7.2 Mơ hình MATLAB SIMULINK

Đây là khối tín hiệu đặt

Trong đó qd1, qd2,qd3 là vị trí đặt khâu 1,2,3

dq1,dq2,dq3 là vận tốc đặt khâu 1,2,3 ddq1,ddq2,ddq3 là gia tốc đặt khâu 1,2,3

Đồ thị tịnh tiến khâu 1

Đồ thị tịnh tiến khâu 3

Đồ thị sai số biến khớp 2

Vận tốc khâu 1

Vận tốc khâu 2

Vận tốc khâu 3

Tài liệu tham khảo

1. Bài giảng “Thiết kế Robot”, PGS. Phan Bùi Khôi.

2. Các Video giảng dạy của Giảng viên Phan Bùi Khôi trên hệ thống

lms.hust.edu.vn

3. Sách “Ứng Dụng Solidworks Trong Thiết Kế Cơ Khí”, TS. Nguyễn Hồng

Thái.

4. Sách “ Điều khiển robot công nghiệp”,Nguyễn Mạnh Tiến.

5. “MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”,Nguyễn Phùng

Quang.