1. Các phương pháp thiết kế truyền động cho Robot
1.6. Lựa chọn cơ cấu truyền động cho Robot
Với phương án chuyển động tối ưu của robot đã được chọn như trên, ta cần có ba động cơ tạo chuyển động quay các khớp quay cánh trên trên cùng.
Việc cho phép truyền động trược tiếp từ động cơ qua cánh ray thì khơng có được momen phù hợp cho việc chuyển động và vận hành của robot. Chính vì thế ta cần có một bộ giảm tốc phù hợp cho mỗi động cơ nhằm tăng momen cho cánh tay, nhưng chính vì thế cũng sẽ làm giảm tốc độ của robot, đổi lại điều đó việc điều khiển robot sẽ dễ dàng hơn, tránh được phản lực tác động trực tiếp lên động cơ và nhằm bảo vệ tăng tuổi thọ động cơ.
Hình 11: Nguyên lý của hộp giảm tốc động cơ cho mỗi cánh tay.
Hộp giảm tốc được sử dụng ở các cánh tay có sơ đơ ngun lý của một hệ thống bánh răng thơng thường có được tỉ số truyền mong muốn của cả họp số
như hình 11 là: μ =(−1)k z2 z3
13 z1 z2'
Với :
k: là số cặp bánh răng ăn khớp ngồi
z 2 , z 3 , z 1 ,z 2' :
1.7. Tính tốn chọn động cơ và thơng số của bộ truyền
Hình 12 Sơ đồ robot delta
Lực tử tải trọng tác dụng lên phần cánh tay O1 A1 P1 như hình 12
Hình 13 Lực do tải trọng tác dụng vào robot.
M là momen động cơ
Fa ,Fb ,Fc làlực tác động từ các cánhtay lên đế di động
Fa'là phản lực liên kết của đế di động với cánh tay robot
Pt là trọng lượng của tải
Y a , Xa là thành phần lực F1 theo phương đứng và phương ngang
- Vì đế di động ln song song với mặt sàn nên các lực Y a ,Y b ,Y c phải bằng nhau để không tạo ra momen quay. Với momen M và phản lực liên kết Fa' được tính thơng qua cơng thức:
Ya Fa ' = cos (φ− Π 2 ) M = Fa ' .L1. Sin(α) Từ đó, ta thấy M sẽ lớn nhất khi α = Π 2 và Fa' lớn nhất khi đó φ lớn nhất. φ≈ 160 = 8 9Π (Hình 14 ).
Phân tích lực tác động trên đế di động ta có :
Hình 15. Lực tác động trên đế di động.
ƩF y = Y a +Y b +Y c -Pt = 0
bằng nhau như đã phân tích
Y a = Pt = (mt +mđdđ ) . g = (0,5+172. 10−3 ) .10 = 2,24 N
333
X a = Y a.tan( 89Π - Π2 ) = 2,24.tan( 89Π - Π2 ) ≈ 6,2 N
* Trong đó
- mt là khối lượng tải. mt = 0,5 kg
- mđdđ là khối lượng tấm đế di động. mđdđ = 172 g - g là gia tốc trọng trường. g= 10 m/s2
Phân tích lực tác động trên cánh tay L2 ta có :
Hình 16: Các lực tác động lên cánh tay L2. ƩFx = X b1 −Xa = 0 ƩF y = Y b 1 -Y a −2. PL2 = 0 X b1 =Xa = 6,2 N Y b 1 =Y a +2. PL 2 = Y a+ 2.g.mL 2 = 2,24+ 2.10.140 . 10−3 = 5,04 N * Trong đó
- ml2 là khối lượng cánh tay l2. ml2= 140 g Phân tích lực tác động trên cánh tay L1 ta có :
ƩM 01 = M - PL1.sin( Π .sin( 9¿ . s+ Xb 1 .sin ( ¿ Π −2 ¿ .13,4. 10 9 * Trong đó
- mL1 là khối lượng cánh tay L1 . mL1 = 870 g
- s là khoảng cách từ trục động cơ tới trọng tâm cánh tay L1. s =13,4 cm - L1 là chiều dài cánh tay L1. L1=30 cm
- Với yêu cầu vận tốc di chuyển theo phương ngang là 1 m/s. xét trường hợp tấm đế di động di chuyển để khảo sát vận tốc của động cơ.
- Gọi 01 và 02 lần lượt là vị trí góc quay của động cơ ứng với vị trí tấm đế di động ở vị trí 2 biên của khơng gian hoạt động.Việc tính tốn 01 và 02 theo hình học khá phức tạp nên thay vào đó sẽ sử dụng phần mềm để xách định như hình 15.
Hình 18: Vị trí góc quay của động cơ tại vị trí biên.
Từ hình 15 ta thấy
Δθ=02−0 1=149,50 −83,310=660 11' ≈ 0,2 vòng
Với vận tốc di chuyển v= 1 m/s và khoảng cách dịch chuyển D = 600 am => Thới gian thực hiện t= 0,6 s
Động cơ phải quay 0,2 vòng trong khoảng thời gian t= 0,6 s Tốc độ quay trung bình của động cơ là:
v= vòng
t .60= 0,2
0,6 .60=20 RPM
Vậy động cơ phải có momen tối thiểu là M= 2,7 N.m và vận tốc tối thiểu là 20 RPM.
- Công suất tối thiểu: P=M . ω=M . 60v
.2 π =2,7. 20
Nếu truyền động trực tiếp từ động cơ tới cánh tay L1 sẽ khơng có được momen phù hợp nên ta cần 1 bộ hộp giảm tốc để tăng momen quay đồng thời giảm vận tốc động cơ để tăng khả năng điều khiển chính xác.
Với hiệu suất chung của chuyển động bánh răng ηhs=0,9 Công suất cần thiết của động cơ
là Pct = 0,9P
= 5,7
0,9 ≈ 6,34 W
Qua tìm hiểu các loại động cơ AC servo các hãng sản xuất trên thị trường, thì động cơ có cơng suất 50 W có momen là 0,16 N.m và tốc độ 3000 rpm là nhỏ nhất và đảm bảo thỏa mãn với thông số động cơ như đã tính.
Với momen định mức của động cơ là 0,16 N.m và momen tính tốn là 2,7 N.m thì ta cần hộp số có tỉ số truyền là
hộp số trên thị trường, ta chọn được hộp số có tỉ số truyền 1:20
Với động cơ và hộp số như đã chọn, tính lại thơng số đầu ra của hộp số, ta có
M = M độngcơ . 20 = 0,16.20 = 3,2 N.m V = V động cơ . 201
= 3000. 201
= 150 rpm
Với thơng số đầu ra như trên hồn tồn đáp ứng các thơng số tính tốn chọn động cơ và hộp số.
1.8. Xét bền cho Robot
Với mơ hình 3D được tạo sẵn trong phần mềm solidworks, việc xét bền cho robot có thể được thực hiện ngay trên mơ hình 3D với cơng cụ simulation trong solidworks để đơn giản hóa việc tính tốn.
Trong trường hợp động cơ chịu tải lớn nhất cũng chính là trường hợp cánh tay của robot chịu lực tác động lớn nhất. Dựa vào các kết quả tính tốn ở phần xác định thơng số động cơ, ta có :
Từ (1) và (2) có X a= 6.2 N và Y a = 2,24 ta tìm được lực tác dụng vào trục ren nối giữa cánh tay L2 và đế di động (hình 19) là 6,6 N. Từ đó có kết quả mơ phỏng như sau :
Hình 19. Trục nối giữa đế di động và cánh tay L2.
Hình 21. Chuyển vị của trục ren trên tấm đế cố định.
Từ kết quả mơ phỏng có thể thấy ứng suất lớn nhất của trục là 1,064.107 Pa nhỏ hơn ứng suất cho phép là 6,3.108 Pa và chuyển vị lớn nhất của trục là khá nhỏ là 3,53.10−3mm.
Đối với cánh tay L2 (Hình 22), lực từ trục ren nối như đã phân tích ở trên sẽ truyền trực tiếp vào 2 cánh tay L2. Vì có 2 cánh tay L2 nên lực tác động vào mỗi cánh tay sẽ giảm đi một nửa nên lực kéo đặt lên mỗi cánh tay sẽ là 3,3 N.
Hình 23. ứng suất cánh tay L2.
Hình 24. Chuyển vị trên cánh tay L2.
Từ kết quả mô phỏng ta thấy đươc ứng suất lớn nhất tìm được là 1,22.105 Pa nhỏ hơn ứng suất cho phép là 6,3.108 Pa và chuyển vị là rất nhỏ là 2,18.10−4 mm
Từ (3) và (4) có X b1= 6,2 N, Y b 1= 5,04 Nta tính được lực tác động lên trục ren nối giữa cánh tay L2 và cánh tay L1 là 8 N.
Hình 25. Trục ren nối giữa hai cánh tay.
Hình 27. Chuyển vị của trục ren nối giữa 2 cánh tay.
Từ kết quả mơ phỏng ta tìm được ứng suất lớn nhất là 2,2.107 Pa nhỏ hơn ứng suất cho phép là 6,3.108 Pa và chuyển vị là 5,2.10−3mm
Lực tác động vào cánh tay L1 cũng chính là lực tác động vào trục ren nối giữa 2 cánh tay như đã phân tích ở trên
Hình 28. Cánh tay L1.
Hình 30. Chuyển vị trên cánh tay L1.
Từ kết quả mơ phỏng ta có thể thấy ứng suất lớn nhất tìm được là 9,3.105 Pa nhỏ hơn ứng suất cho phép là 6,3.108 Pa và chuyển vị là khá nhỏ khoảng 6,6.10−3 mm
Khối lượng của các cánh tay, đế di động, khớp cầu và động cơ là 7,6 kg. Kết quả mơ phỏng như sau:
Hình 31. Tấm đế gá động cơ.
Hình 32. ứng suất của tấm gá động cơ.
Hình 33. Chuyển vị trên tấm gá động cơ.
Từ kết quả mô phỏng ta thấy ứng suất lớn nhất là 3,5.105 Pa nhỏ hơn ứng suất cho phép là 2,75.107 Pa và chuyển vị là khá nhỏ khoảng 9,6.10−4
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC DELTA 2.1. Chọn phương án sơ đồ động học để thiết kế robot delta
Trong phạm vi của luận án này, ta sẽ chọn sơ đồ động học như hình 2.4a để thiết kế đây là loại sơ đồ động học theo giống với nguyên bản ban đầu của loại robot Delta nhất, với các động cơ quay quay gắn trực tiếp với các cơ cấu hình bình hành, hay nói cách khác ta sẽ đi sâu tì hiểu và thiết kế loại robot Delta 3 bậc tự do với sơ đồ động học và kết cấu như hình 2.5.
2.2. Các thơng số cơ bản của robot delta
Hình 35. Thơng số chiều dài và các góc đặc trưng của robot Delta 2.3. Bài toán động học delta
2.3.1. Xác định vấn đề
Căn cứ vào yêu cầu thiết kế, robot đc thiết kế với 3 bậc tự do, tầm với của robot là 600mm, tải trọng 0.5kg và độ chính xác lặp lại là 0.8
Robot được thiết kế với mục đích phục vụ trong giáo dục, trong các mơ hình thí nghiệm như cấp phơi trong dây truyền CIM, cấp phôi cho các máy gia công tự đọng như máy phay CNC, máy tiện CNC, thực hiện công việc hàn…
Robot được thiết kế và phát triển để mô phỏng một robot công nghiệp. Các cấu trúc mở của cách tay robot cho phép học sinh, sinh viên quan sát và tìm hiểu về nội bộ cơ chế hoạt động của robot nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu động học, động lực học robot.
2.3.2. Bài toán động học thuận robot Delta
Hình 36. Sơ đồ mơ tả ngun tắc xây dựng bài tốn
động học thuận
Hình 37. Các kích thước cơ bản của robot Delta
Ở bài tốn này ta đã có các góc quay θ1, θ2, θ3, và ta cần tìm ra tọa độ E0
(x0, y0, z0) của khâu chấp hành cuối. Với: a1= 1 d [( z2−z1 )( y3− y1 )−( z3 −z1 )( y2− y1 ) ] a2= 1 d [( z2−z1 ) x3−( z3 −z1) x2 ] b1=21d [( w2−w1 )( y3− y1 )−(w3−w1 )( y2− y1 )] b2=21d [( w2 −w1 ) x3−( w3−w1 ) x2 ]
d=( y2− y1 ) x3 −( y3− y1 ) x2
Ta được
( a12+ a22 +1) z2+2 [a1 +a2 (b2− y1 )−z1 ] z+[b12 +(b2 − y1 )2+ z12−LP2 ]=0
Tọa độ tam chấp hành cưới là nghiệm của phương trình 2.5.3. Bài tốn động học ngược robot delta
Hình 38. Nguyên lý xác định bài toán động học ngược
Mặt giao của khối cầu này với mặt phẳng YZ là một đường trịn với tâm là điểm E’1 và bán kính là E’1J1, với E’1 là hình chiếu của E1 lên mặt phẳng YZ. Bây giờ điểm J1 có thể được xác định như là giao điểm của các đường trịn có bán kính xác định với tâm là E’1 và F1. Ta chỉ chọn giao điểm với giá trị tọa độ y và nếu ta biết J1, ta sẽ tính được giá trị θ1.
E’1 là hình chiếu của E1 theo phương x lên mặt phẳng Oyz, khi đó ta sẽ có
−e
tọa độ E1’ (0, y0 2√3 , z0) được xác định. Từ hệ phương trình ta xác định được tọa độ điểm J1 (0, yJ1, zJ1)
θ
2.4. Mô phỏng động học robot delta
Thực hiện mô phỏng công thức động học thuận và động học nghịch trên phần mềm MATLAB. Với các giá trị cho trước sau:\
e = 60; f = 90; re = 100.0; rf = 50.0;
Bây giờ chúng ta sẽ xem kết quả đạt được. Động học nghịch.
STT Tọa độ tấm bích di động
(x, y, z)
1 (-45, 35, -50)
Động học thuận.
STT
1 (31.862, 18.176, -66.269)
2 (-33.240, -36.829, 29.793)
Sai số là do kết quả của Matlab tính được ở động học nghịch, các góc theta có 4 số thập phân. Sang phần động học thuận chúng ta đã rút gọn còn 3 số thập phân.