MỤC LỤC

MỤC LỤC…………………………………………………………….............…..1

LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………............……....2

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC………………………………..........…......3

CHƯƠNG 1 : PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC………………........…..5

1.1. Phân tích mục đích ứng dụng của robot………………………….....…...5

1.2. Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác……………………………….....…....5

1.3. Xác định đặc trưng kĩ thuật………………………………….......………...5

1.4. Các phương án thiết kế cấu trúc robot………………………….....……..6

1.5. Thông số kĩ thuật……………………………………………………...........7

Chương 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT……………………......……....8

2.1. Thiết kế 3D…………………………………………………….........……….8

2.2. Lập bản vẽ 2D……………………………………………………................8

2.3. Xác định các thống số đặc trưng hình học khối lượng…………...……..9

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG………………..........13

3.1 Khảo sát động học thuận, động học nghịch………………………...…...13

3.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng…..16

CHƯƠNG 4 : PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH……………………........….19

4.1. Cơ sở lý thuyết…………………………………………………….........…19

4.2. Giải bài toán cụ thể………………………………………………........…...19

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC……………………........…….23

5.1. Tính toán phương trình vi phân chuyển động…………………....……..23

5.2 Xác định ma trận Jacobi tịnh tiến ở khối tâm…………………….....……25

5.3 Xác định ma trận quán tính Coriolis và quán tính li tâm…………...…...28

CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT………………….......….31

6.1. Thiết kế hệ dẫn động……………………………………………….......….31

6.2. Kiểm nghiệm bền qua mô phỏng Solidworks………………….…...…...59

CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN………………..….....…61

7.1. Cơ sở lý thuyết…………………………………………………….......…...61

7.2. Mô phỏng qua matlab…………………………………………..…....….…63

CHƯƠNG 8. KẾT LUẬN…………………………………………….......….....69

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………….........….…70

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới là những tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa sản xuất. Một trong những thành tựu nổi bật của quá trình tự động hóa là những cánh tay Robot. Những Robot từ đơn giản đến phức tạp, đã đóng góp rất nhiều trong việc thay thế con người ở môi trường làm việc cường độ cao, độc hại và đòi hỏi độ chính xác cao. Để có thể phát triển và ứng dụng Robot rộng rãi trong sản xuất, bên cạnh những kiến thức về điện, điện tử,… thì việc nghiên cứu và tính toán động học, tính toán thiết kế và điều khiển Robot là một yếu tố rất quan trọng làm cơ sở nền tảng cho việc chế tạo Robot. Trong bài báo cáo môn học Tính Toán Thiết Kế Robot với đề xuất dự án và thực hiện “Tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng mục đích để hút, dọn rác”. Nhóm chúng em chia thành các chương:

Chương 1: Phân tích, lựa chọn cấu trúc.

Chương 2: Thiết kế 3d nô hình robot

Chương 3: Thiết kế quỹ đạo chuyển động.

Chương 4: Phân tích trạng thái tĩnh của Robot.

Chương 5: Tính toán động lực học.

Chương 6: Thiết kế hệ thống dẫn động robot.

Chương 7: Thiết kế hệ thống điều khiển.

Chương 8: Kết luận

Nhóm xin gửi lời cảm ơn tới Thầy: PGS. TS…….…….và ThS……………, cảm ơn Thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi học. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp nhóm tự tin hơn trong cách thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị của nhóm hoặc cũng có thể kiến thức nhóm mang đến trong bài tiểu luận này con sai sót và chưa đúng. Nhóm rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa để bài làm được hoàn thiện.

 Chúng em chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khoẻ!

CHƯƠNG 1 : PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1.1. Phân tích mục đích ứng dụng của robot

 Trong các ngành công nghiệp, người ta ngày càng muốn đưa tự động hóa vào trong sản suất để nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm. Có rất nhiêu loại mác móc và các loại gia công sẽ tạo ra các bui , mảnh vỡ kim loại mà không thể dọn sạch bằng cách lau thông thường, đôi khi là cách mảnh vật liệu phóng xạ nguy hiểm. Vì vậy, nhóm em muốn thiết kế robot này với mục đích thay thế việc lau chùi truyền thống truyền thống. Robot có thể được sử dụng như là một khâu trong quá trình tự động hóa sản suất sản phầm, giúp tiến trình sản suất được diễn ra liên tục, tiết kiệm thời gian, tăng năng suất cho nhà máy, nhưng vẫn đảm bảo chất lượng của sản phẩm.  

1.2. Phân tích yêu cầu kĩ thuật thao tác

a. Đối tượng thao tác dạng thao tác:

- Là các bụi bẩn vụn, mảnh vỡ kim loại, vật liệu phóng xạ khó có thể lau dọn truyền thống.

b. Phân tích yêu cầu về vị trí:

- Robot yêu cầu được đặt trên bàn cùng các máy công nghiệp và di chuyển hết được mặt phẳng làm việc.

c. Yêu cầu về hướng của khâu thao tác:

- Đầu hút thẳng đứng vuông góc với mặt phẳng làm việc

d. Yêu cầu về vận tốc giác tốc của khâu thao tác:

- Chuyển động của đầu hút có vận tốc không đổi, gia tốc bằng không. Vận tốc và gia tốc cụ thể phụ thuộc vào tình huống thực tế

e. Yêu cầu về không gian thao tác:

- Không gian thao tác của robot là 30x30x15

1.4. Các phương án thiết kế cấu trúc robot

Các phương án thiết kế:

a. Robot dạng PPP - khối lập phương chữ nhật:

Với cấu trúc 3 khâu được nối động với nhau bằng 3 khớp tịnh tiến, nên tay máy có khả năng chuyển động theo hướng của 3 trục tọa độ Ox, Oy, Oz. Không gian làm việc của robot có dạng là một khối chữ nhật có các cạnh là x, y, z.

b. Robot dạng RRR:

Gồm 3 khâu được nối với nhau bằng 3 khớp quay tạo ra vùng làm việc là một khối cầu rỗng.

c. Phân tích chọn phương án thực hiện:

- Do robot yêu cầu có tốc độ cao, chính xác, gắp vật theo phương thẳng đứng và di chuyển sang những vị trí xung quanh nên sử dụng robot có dạng Scara. Do bố trí khớp trục song song, cánh tay của nó có thể di chuyển linh hoạt trong mặt phẳng XY nhưng lại cứng nhắc theo hướng Z.

1.5. Thông số kĩ thuật

Thông số kĩ thuật như bảng dưới.

Chương 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT

2.1. Thiết kế 3D

Thiết kế 3D như hình 2.1.

2.3. Xác định các thống số đặc trưng hình học khối lượng

Khau 1: 

Mass properties of Part1

Configuration: Default

Coordinate system: -- default --

Density = 0.00 grams per cubic 

*  square millimeters)

Taken at the center of mass.

Ix = (0.00,  1.00,  0.01)                  Px = 1693131.57

Iy = (0.00, -0.01,  1.00)                  Py = 2134201.33

Iz = (1.00,  0.00,  0.00)                   Pz = 2708142.50

Moments of inertia: (grams *  square millimeters)

Taken at the center of mass and aligned with the output coordinate system.

Lxx = 2708142.45Lxy = -237.37       Lxz = -1.00

Lyx = -237.37      Lyy = 1693229.81 Lyz = 6579.86

Lzx = -1.00          Lzy = 6579.86       Lzz = 2134103.15

Khau 2:

Mass properties of Part2

Configuration: Default

Coordinate system: -- default --

Density = 0.00 grams per cubic 

millimeter

Mass = 950.61 grams

Volume = 352078.40 cubic millimeters

Surface area = 45801.58  square millimeters

Center of mass: (millimeters)

X = 76.85

Y = 22.50

Z = 0.00

Principal axes of inertia and principal moments of inertia: (grams *  square millimeters)

Taken at the center of mass.

Ix = (1.00,  0.00,  0.00)                  Px = 373264.22

Iy = (0.00,  0.00, -1.00)                  Py = 2534303.71

Iz = (0.00,  1.00,  0.00)                   Pz = 2557632.20

Moments of inertia: (grams *  square millimeters)

Taken at the center of mass and aligned with the output coordinate system.

Lxx = 373264.22Lxy = 0.00               Lxz = 0.00

Lyx = 0.00Lyy = 2557632.20             Lyz = 0.00

Lzx = 0.00Lzy = 0.00                          Lzz = 2534303.71

Moments of inertia: (grams *  

Khau 3:

Mass properties of Part3

Configuration: Default

Coordinate system: -- default --

Density = 0.00 grams per cubic millimeter

Mass = 388.75 grams

Volume = 194373.89 cubic millimeters

Surface area = 30490.71  square millimeters

Center of mass: (millimeters)

X = 75.00

Y = 11.00

Z = 0.00

Principal axes of inertia and principal moments of inertia: (grams *  square millimeters) Taken at the center of mass.

 Ix = (1.00,  0.00,  0.00)                  Px = 97237.37

Iy = (0.00,  0.00, -1.00)                  Py = 1115193.65

Iz = (0.00,  1.00,  0.00)                   Pz = 1181072.04

Moments of inertia: (grams *  square millimeters)

Taken at the center of mass and aligned with the output coordinate system.

Lxx = 97237.37Lxy = 0.00               Lxz = 0.00

Lyx = 0.00       Lyy = 1181072.04 Lyz = 0.00

Lzx = 0.00      Lzy = 0.00                  Lzz = 1115193.65

Moments of inertia: (grams *  square millimeters)

Taken at the output coordinate system.

Ixx = 144275.86Ixy = 320716.92Ixz = 0.00

Iyx = 320716.92Iyy = 3367778.32Iyz = 0.00

Izx = 0.00Izy = 0.00Izz = 3348938.41

Izz = 5118827.28

Khau 4:

Mass properties of Part4

Configuration: Default

Coordinate system: -- default --

Density = 0.00 grams per cubic millimeter

Mass = 68.64 grams

Volume = 25421.77 cubic millimeters

Surface area = 19157.43  square millimeters

Center of mass: (millimeters)

X = 0.00

Y = 67.25

Z = 0.00

Principal axes of inertia and principal moments of inertia: (grams *  square millimeters)  Taken at the center of mass.

Ix = (0.00,  1.00,  0.00)                  Px = 6141.78

Iy = (0.00,  0.00,  1.00)                  Py = 140762.37

Iz = (1.00,  0.00,  0.00)                   Pz = 140762.37

Moments of inertia: (grams *  square millimeters)

Taken at the center of mass and aligned with the output coordinate system.

Lxx = 140762.37Lxy = 0.00Lxz = 0.00

Lyx = 0.00Lyy = 6141.78Lyz = 0.00

Lzx = 0.00Lzy = 0.00Lzz = 140762.37

Moments of inertia: (grams *  square millimeters)

Taken at the output coordinate system.

Ixx = 451216.32Ixy = 0.00Ixz = 0.00

Iyx = 0.00Iyy = 6141.78Iyz = 0.00

Izx = 0.00Izy = 0.00Izz = 451216.32

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG

3.1 Khảo sát động học thuận, động học nghịch   

a. Khảo sát động học thuận:

Bảng D-H:

Lần lượt thay các hàng của bảng thông số động học vào ma trận trên ta được các ma trận truyền tương ứng với các khâu:

⁰A₁            ;            ²A₃

Nhân các ma trân với nhau ta có được:

⁰A₂   =   ⁰A_{1 .} ¹A₂ 

⁰A₃   =   ⁰A₁ . ¹A₂  . ²A₃

Ma trận quay:

⁰R₃       ;      ⁰R^T₃        ;       ⁰R^'₃

c. Không gian làm việc:

Không gian làm việc:thể hiện như mô hình hóa dưới.

3.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng

Thiết kế quỹ đạo chuyển động theo quy luật hàm bậc:

Toạ độ các điểm đi qua thể hiện như hình dưới.

* Giai đoạn 1 : Thiết kế quỹ đạo biến đổi theo quy luật hàm bậc 3 cho robot đi từ A(300;100;140) đến B(300;100;20) trong thời gian t=2s, tA=0, tB=2.

* Để thoả mãn điều kiện về quỹ đạo và vận tốc, ta thiết lập quan hệ x= x(t) là đa thức bậc 3 :

a₀ =zA = 140

a₁ = 0

a₂ = 90

a₃  = -30

Ta có quỹ đạo chuyển động giai đoạn 1 (A-B) :

x = 300

y = 100

z = 140 + 90t² -30t³

* Giai đoạn 2 : Di chuyển theo đường tròn từ B quay 1 vòng quanh tâm I trong t = 4(s) : B(300; 100; 20) , I(225; 50; 20) , bán kính R = 50 (mm).

* Giai đoạn 3 : Di chuyển theo đường thẳng từ B về A trong thời gian t=2s : B(300;100;20) , A(300;100;140).

Tương tự như giai đoạn 1, ta cũng có phương trình quỹ đạo bậc 3 :

x= 300

y=100

z= 20- 90t² +30t³

CHƯƠNG 4 : PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH

4.1. Cơ sở lý thuyết

Hệ phương trình cân bằng lực trong khâu i : Như phương trình dưới.

Dạng ma trận trong hệ tọa độ cơ sở: Như phương trình dưới.

4.2. Giải bài toán cụ thể

Coi các khâu là thanh đồng chất tiết diện ngang không đáng kể.

 Vị trí tương đối của hệ tọa độ và vị trí trọng tâm các khâu được xác định:

Vector gia tốc trọng trường và lực các khâu biểu diễn trong hệ tọa độ cơ sở: ⁰g_i ; ⁰P_i

* Khâu 3 :

Ta được các ma trận đối xứng lệnh như dưới.

Ta có phương trình cân bằng như dưới.

* Khâu 2 :

Tương tự ta có :

Ta tính được ma trận đối xứng lệnh.

Hệ phương trình cân bằng.

* Khâu 1 :

⁰F_1,0; ⁰M_1,0

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

Động lực học Robot nghiên cứu chuyển động của Robot dưới tác dụng của lực và (hoặc) momen điều khiển (lực điều khiển) để thực hiện thao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ. Đầu ra của bài toán phục vụ đắc lực cho bài toán điều khiển sau này.

5.1. Tính toán phương trình vi phân chuyển động

a. Tìm tọa độ khối tâm của khâu so với hệ quy chiếu cố định :

* Khâu 1 :

⁰A₁

Suy ra : ⁰r_c1 

* Khâu 3 :

Tương tự ta có :

⁰A₃   =   ⁰A₁ . ¹A₂  . ²A₃

➢Xác định ma trận Jacobi tịnh tiến ở khối tâm như phương trình dưới.

➢Xác định vận tốc góc các khâu như phương trình dưới.

* Tính ma trận khối lượng suy rộng :

M(q) = M1(q) +M2(q) +M3(q) 

Trong đó :

m13 = m31 = 0

m23 = m32 = 0

m33 = m3

➢ Xác định ma trận G(q) :

Chiếu lên trục Z với gốc thế năng chọn tại gốc khâu 0 có chiều hướng lên ta sẽ có được:

II =  m1.g.ZC1  +m2.g.ZC2 +m3.g.ZC3

=> II = m1.g.d1 + m2.g.d1 +m3.g(d1+d3+ l3/2 )

➢ Xác định ma trận Q :

Cho khâu thao tác cuối chịu tác dụng ngoại lực F3 và momen M3.

+ Q1 =(-a1.sin0₁–a2.sin(0₁+0₂).Fx +(a1.cos0₁+ a2.cos(0₁+0₂).Fy +Mz

+ Q2 = –a2.sin(0₁+0₂).Fx + a2.cos(0₁+0₂).Fy +Mz   

+ Q3  = Fz 

CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT

6.1. Thiết kế hệ dẫn động

a. Hệ dẫn động:

Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp đều là thẳng đứng.

- Khâu quay 1, 2: hệ bánh răng (hộp giảm tốc)

- Khâu 3: khâu tịnh tiến (trục vít me - đai ốc bi), truyền động đai răng

- Động cơ truyền động

b. Tính toán, thiết kế khâu 3:

* Cơ sở thiết kế:

Truyền động vít me - đai ốc được dùng để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Do yêu cầu hoạt động của robot cần chính xác nên ta lựa chọn bộ truyền động trục vít me - đai ốc bi để hạn chế sai lệch do khe hở giữa đai ốc và vít me.

Tùy dạng chuyển động của trục vít và đai ốc mà có thể chia thành các loại:

- Trục vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định

- Trục vít tịnh tiến, đai ốc quay

- Trục vít quay, đai ốc tịnh tiến

- Trục vít cố định, đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến

Công thức liên hệ giữa vận tốc tịnh tiến của trục vít và tốc độ quay của đai ốc:

V = n.p.Z/60000

* Thiết kế trục vít me - đai ốc bi

- Lựa chọn vật liệu:

Vít, bi: Thép 40CrMn ([s _c ]  = 785(MPa))

Thép hợp kim kết cấu 40X được sử dụng trong các bộ phận nặng (trục, trục bánh răng, pít tông, thanh, trục khuỷu và trục cam, vòng, trục chính, chân trôi, bạt, bánh răng, bu lông, nửa trục, ống lót, ốc vít, v.v.). Thép crom 40X cũng được sử dụng trong các thành phần rèn, lạnh và dập nóng, và sản phẩm thép được sử dụng trong đường ống, bể chứa và sản xuất khác.

Đai ốc: Thép 18CrMnTi

- Sơ đồ truyền động:

Sơ đồ truyền động trục ví me - đai ốc bi như hình dưới.

Thông số đầu vào: 

Tải có khối lượng: 0,67 (kg).

- Vận tốc lớn nhất của trục vít: v_3max = 2,78 (m/s).

Đồ thị vận tốc có dạng hình thang, tốc độ ban đầu bằng 0 với gia tốc là hằng số ở cả 2 giai đoạn khởi động và hãm (thời gian tăng tốc và giảm tốc xấp xỉ 30% thời gian 1 vòng chu kỳ).

Thông số vào :

Tốc độ tối đa:

v_3max = 2780 (mm/s) = 2,78 (m/s) .

Hành trình : S₃= 140 (mm) = 0,14 (m)

Tải có khối lượng: 20 (kg).

* Thời gian tăng tốc bằng thời gian giảm tốc và tương đương 30% chu kỳ để chạy hết biên độ:

 t_3i = t_3f = 0,3T₃

Theo phương trình động lực học sẽ bằng:

m33 (q)q3 + m3 g + Fz

Trong đó :

m33 (q) = m3

m3 = mtai + mvit + mtkep = 0.0668 (kg)

- Lực dọc trục:

Famax = t3max = m3 (q3+g) = 0,0668 . (139 + 9,81) = 9,94(N )

Hành trình: 140 (mm).

* Tính toán sơ bộ đường kính ren trong của vít theo độ bền kéo:

Tính toán đường kính ren trong d₁:

Chọn d₁ = 23 (mm) => đường kính danh nghĩa d₀ = 25 (mm) theo tiêu chuẩn SKF về vít me đai ốc bi loại Rotating nut.

SLT, TLT, Rotating nuts như hình dưới.

* Tính toán truyền:thông số bộ:

Các thông số của bộ truyền vít bi như hình dưới.

- Đường kính bi:

db= (0,08…0,15)d₁ = 0,1. 23 = 2,3 (mm)

Chọn: db =3 (mm)

- Bước vít:

p = db + (1...5) = 3 + 2 = 5(mm) .  

Chọn  p = 25 (mm)

- Bán kính rãnh lăn:

r1 = (0,51...0,53)db = 0,51. 3 = 1,53 (mm)

- Đường kính vòng tròn qua các tâm bi:

Dtb = d1 + 2(r1 - c) = 23 + 2(1,53 - 0,02) = 26,02 (mm)

- Đường kính trong của đai ốc:

D1 = Dtb + 2(r1 - c) = 26,02 + 2(1,53 - 0,02) = 29,04 (mm)

- Chiều sâu profin ren:       

h1 = (0,3...0,35)db = 0,32 . 3 = 0,96 (mm)

Chọn h₁ = 1 (mm)

- Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D:

d = d1 + 2h1 = 23 + 2 .1 = 25 (mm)

D = D1 - 2h1 = 29,04 -2 .1 = 27,04 (mm)

- Góc nâng vít : g = 17^o

- Chọn trục vít me - đai ốc bi theo tiêu chuẩn SKF:     

Chọn trục vít me bi cán dài có đai ốc quay (SLT/TLT rotating nut) với đường kính danh nghĩa 25 (mm).

- Khối lượng của trục vít me bi:

mvit = mtruc_vit + mdai_oc  = D.p.d²L/4+ mdai_oc

Trong đó :

d=25 (mm)

L=400 (mm)

D=7850 (kg/m^3)

*  Tính chọn động cơ cho trục vít me - đai ốc bi:

Theo nhiệm vụ thiết kế, khâu 3 của robot có thể đạt tới vận tốc lớn nhất: v3max = 2780 (mm/s) khi chạy không tải. Vì thế, trong trường hợp này, lực dọc trục lớn nhất lẫn momen xoắn và công suất động cơ đều được thiết kế không tải. Như vậy khối lượng khâu 3 chỉ bao gồm khối lượng trục vít me và khối lượng đầu hút.  

- Tốc độ quay của đai ốc:

v₃ = 2,78 (mm/s) : tốc độ lớn nhất của trục vít me

Z = 1 : số mối ren

p = 25 (mm) = 0,0025 (m) : bước vít

=> n₃  = 6672 (rpm)

Từ các thông số trên, ta chọn động cơ truyền động cho trục vít me là động cơ AC Servo Motor BPTA007GCA6D1, công suất 400 (W), khối lượng 2 (kg).

* Tính chọn cơ cấu truyền động khâu 3:

Trong đồ án này, em sử dụng cơ cấu truyền động cho khâu 3 là đai răng. Do truyền lực bằng ăn khớp, truyền động đai răng có những ưu điểm: Không có trượt, tỉ số truyền lớn (u ≤ 12, đôi khi u < 20), hiệu suất cao, không cần lực căng ban đầu lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ nhỏ.

- Xác định mođun và chiều rộng của đai:

P₁: công suất trên bánh đai chủ động, lấy: P₁=W_dc3=0,75 (kW)

n₁: số vòng quay của bánh đai chủ động. Chọn tỷ số truyền u=1:2, tốc độ thực tế lấy bằng n₁ = n_dc3 = 3336 (rpm)

Theo bảng 4.27 (trang 68, Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập một -Trịnh Chất, Lê Văn Uyển) Chọn moddun m =3 (mm), bước đai p = 9,42 (mm).

- Chiều rộng đai:

Từ bảng trên, với modun m=3 (mm), ta chọn chiều rộng đai b = 16 (mm)

* Xác định thông số của bộ truyền:

Số răng của bánh đai chủ động được chọn theo bảng 4.29 (trang 70, Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí, tập 1- Trịnh Chất, Lê Văn Uyển), nhầm đảm bảo tuổi thọ cho đai.

Số răng của bánh đai nhỏ z₁ như bảng sau:

Do tỷ số truyền lựa chọn là 1 : 2 nên bánh đai chủ động là bánh lớn, bánh đai bị động là bánh nhỏ.

Với modun của đai m = 3 (mm) và tốc độ bánh đai chủ động n₁ = n_dc3 = 3336 (rpm), ta chọn bánh nhỏ z₂ = 18

- Số răng của bánh đai chủ động:

z₁=2z₂=2.19 = 36

Sơ đồ tính toán khoảng cách trục như hình dưới.

Qua bảng trên chọn z_d =63 (mm)

- Chiều dài đai răng:

l_d=pz_d=9,42.63=593,5 (mm)

F_o=1,3F_v=1,3q_mbv²=1,3.4.18,86²=29,6 (N)

Với: b=16 (mm):  chiều rộng đai

 q_m= 0,04 (kg/mm) : trị số khối lượng 1m đai

* Lựa chọn cơ cấu căng đai:

Sử dụng bộ căng đai tự động Rosta

Những ưu điểm khi sử dụng bộ căng dây đai Rosta:

Truyền momen xoắn ổn định, tác động thân thiện tới đai, xích truyền động, đảm bảo tần suất bảo trì, căn chỉnh là thấp nhất, tự động điều chỉnh lực căng, độ bền cơ cấu cao.

Với lực căng đai ban đầu F₀=29,6 (N) chọn cơ cấu SE 11-G

Thông số bộ căng đai SE 11-G như bảng dưới.

* Tính chọn ổ bi đỡ chặn khâu 3:

Do vít me được chọn là loại rotating nut như trên nên ổ bi đỡ chặn được lắp chặt với đai ốc của vitme như hình trên, tức là đường kính lỗ d của ổ lăn là d ≤ D₁ ≤ 40 (mm)

- Sơ đồ lực:

Sơ đồ lực tính toán ổ bi đỡ chặn như hình dưới.

- Hệ số khả năng làm việc:

Hệ số khả năng làm việc tính theo công thức:

C = Q^m.L

Trong đó:

Q = ( XVFr + YFa ) Kt Kđ ,(kN ): tải trọng động quy ước.

Với: Fa = 230 (N) = 0, 23 (kN ) .

- Phản lực tại các ổ đỡ:

Fr = 147,97(N ) = 0,148 (kN )

Kd : hệ số kể đến đặc tính tải trọng, chọn, Kd = 1,5 .

X, Y : hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục. Với ổ bi đỡ chặn một dãy có góc tiếp xúc α = 12^o (đối với kiểu 36000) có:X = 0,45; Y =1,81.

=> Q = (0,45.1. 0,148 +1,81. 0,23) 1.1,5 = 0,724(kN)

Suy ra hệ số khả năng làm việc của ổ là: Cd = 2,92 (kN )

Từ các thông số trên ta chọn vòng bi kí hiệu 36208 như hình dưới.

Chọn theo hãng SKF là vòng bi số hiệu 7208 BECBJ.

Kích thước hình học của ổ bi SKF-7208 BECBJ như hình dưới.

Vị trí đặt ổ bi theo tham khảo của hãng SKF.

Vị trí lắp đặt ổ bi trong khâu 3 như hình dưới.

c. Tính toán thiết kế khâu 2

* Lựa chọn vật liệu:

Vật liệu lựa chọn: Thép CT45.

Đặc điểm:

Khối lượng riêng: 7850 (kg/m³₎

Giới hạn chảy: 3600 (Mpa)

Modun đàn hồi E=2,1.10⁵ (N/mm²) =21.10¹⁰ (N/m² )

* Tính toán, thiết kế:

Tương tự khâu 3, động cơ dẫn động khâu 2 cũng được thiết kế khi robot chạy không tải với tốc độ tối đa.

Chọn mặt cắt ngang khâu 2 có dạng hình chữ nhật

Chọn B=120 (mm), H=100 (mm), t=10 120 (mm)

Phần đặc kích thước Bh, diện tích S1 momen quán tính Jx1, trọng tâm NC1=50 (mm)

Phần rỗng bh, diện tích S2 momen quán tính Jx1, trọng tâm NC1=55 (mm)

* Sơ đồ lực tác dụng:

Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 2 như hình dưới.

Ta có:

F_lt=m2.a_n=w².r.m2=1284 (N)

* Momen uốn max:

Thay số ta được: Mxmax = 285 (N).

Chọn hộp giảm tốc AF gồm động cơ nối liền hộp giảm tốc bánh răng để truyền chuyển động quay cho khâu 2.

Thời gian tăng tốc bằng thời gian giảm tốc và tương đương 30% chu kỳ để chạy hết biên độ:  t3i = t3 ; f = 0,3T3.

- Momen quán tính :

a₁=150 (mm),  a2=150 (mm),  r=d₀/2=12,5 (mm)

Khối lượng khâu 2 :  m₂=m­_khau2+m_dc3=1,47+2=3,47 (kg)

Động cơ lựa chọn: Động cơ Panasonic Servo Minas A6 công suất 1500 (W), kích thước mặt bích 80x80, tốc độ lớn nhất 3000 vòng/phút đã được gắn kèm với bộ giảm tốc. Khối lượng động cơ và bộ giảm tốc là 2 (kg).

d. Tính toán thiết kế khâu 1

* Vật liệu lựa chọn: Thép CT45.

Đặc điểm:

Khối lượng riêng: 7850 (kg/m³₎

Giới hạn chảy: 360 (Mpa)

Modun đàn hồi E = 2,1.10⁵ (N/mm²₎ = 21.10¹⁰ (N/m² )

* Tính toán, thiết kế hộp giảm tốc khâu 1:

Khâu 1 tương tự khâu 2.

Momen uốn max

M_2max=P₃L₂+P2.L₂/2=159 (Nm)

* Chọn hộp giảm tốc cho khâu 2:

- Gia tốc tiếp tuyến:

Khối lượng lên khâu: m₁=52 (kg)

- Momen xoắn lớn nhất:

Do hộp giảm tốc cyclon có chức năng thay thế cho trục nối hai khâu nên momen mà cơ cấu chịu được phải đảm bảo khả năng chịu uốn.

F_lt=m2.a_n=w².r.m2=52.10,78=560N

Chọn bộ giảm tốc RV-25 (N) (tương đương với AF017N) với khả năng chịu momen xoắn 1225 (Nm), tỉ số truyền 41, động cơ Panasonic Servo Minas A6, công suất 50 (W)- 50 (kW).

Bộ giảm tốc và động cơ sẽ truyền chuyển động quay cho khâu 1. Với bộ giảm tốc RV sẽ thay cho trục nối 2 khâu.

Khối lượng khâu 2  m₂=m­_khau2+m_dc3=1,47+2=3,47 (kg)

Tính toán công suất của động cơ:

Thay số ta được: W_dc2 = 0,95 (kW)

Động cơ lựa chọn: Động cơ Panasonic Servo Minas B4 công suất lớn hơn 1000 (W), kích thước mặt bích 80x80, tốc độ lớn nhất 3000 vòng/phút đã được gắn kèm với bộ giảm tốc. Khối lượng động cơ và bộ giảm tốc là 5 (kg).

6.2. Kiểm nghiệm bền qua mô phỏng Solidworks

Kết quả kiểm tra nhưu hình dưới.

Ứng suất tác động lên cả robot:

Nhận thấy điểm có ứng suất tập trung lớn nhất tại khâu 1 = 0,515 (Mpa)

=> Ứng suất max robot: s_bmax =6,9.10⁵ < = 5,30.10⁸  => Kết cấu Robot đủ bền khi làm việc .

 - Biện pháp tăng sức bền cho kết cấu: Gia cố thêm vật liệu vào phần tập trung ứng xuất .

- Tính toán xác định các góc bo hợp lí tại các góc cạnh Robot để tránh tập trung ứng xuất.

CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

7.1. Cơ sở lý thuyết 

Ở những phần trước ta đã tiến hành tính toán, xác định quy luật biến thiên của các biến khớp theo thời gian, tương ứng với quỹ đạo công tác của robot theo yêu cầu. Phần này sẽ trình bày việc điều khiển robot sao cho chúng có thể thực hiện đúng các chuyển động mong muốn.

Phương pháp điều khiển tuyến tính chỉ phù hợp với các hệ điều khiển được mô hình hóa bởi các phương trình vi phân tuyến tính. Tuy nhiên trong phần động lực học robot chúng ta đã nhận thấy, hệ phương trình động lực của chúng ta là phương trình vi phân phi tuyến, do vậy các biện pháp xấp xỉ sẽ được sử dụng để phù hợp với yêu cầu của bài toán điều khiển tuyến tính.

Vấn đề cốt lõi của việc thiết kế bộ điều khiển robot là làm thế nào để bảo đảm rằng bộ điều khiển được thiết kế sẽ đáp ứng tốt các yêu cầu làm việc cho trước. Tiêu chí cơ bản quan trọng nhất là hệ phải đảm bảo ổn định. Nghĩa là đảm bảo thời gian quá độ, điều chỉnh và sai số quỹ đạo đủ nhỏ theo yêu cầu đặt ra cho dù hệ có phải chịu tác động của một số nhiễu trong suốt quá trình làm việc.

Từ sơ đồ trên có thể nhận thấy rằng chúng ta đang điều khiển hệ thống trong không gian khớp theo thời gian. Tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi đều tương ứng với từng khớp ( vị trí, vận tốc, gia tốc).

7.2. Mô phỏng qua matlab

Khối PD:

Khối động lực học:

Khối phi tuyến:

Khối ma trận khối lượng :

Ta nhận được kết quả :

So sánh đồ thị quỹ đạo đầu vào và đầu ra của 3 khớp

Sai lêch giữa quỹ đạo đầu vào và đàu ra của 3 khớp

So sánh vận tốc đầu vào và ra của 3 khớp

Sai lệch vận tốc đầu vào và ra 3 khớp

CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN

1./ Những kết quả có được :

- Dựa trên các phần mềm đa năng MATLAB và MAPLE đã xây dựng các chương trình tính toán động học thuận, động học ngược và điều khiển trượt Robot chuyển động dựa trên một phép toán. 

- Tìm được mối liên hệ giữa các biến khớp và vị trí toạ độ điểm cuối từ đó xây dựng ra được quỹ đạo chuyển động thích hợp.

- Xây dựng được bài toán điều khiển và mô phỏng quỹ đạo chuyển động khâu thao tác đáp ứng tín hiệu đặt mong muốn với công cụ Simulink-SimMechanics tích hợp trên Matlab. 

2./ Định hướng phát triển tương lai :

Các kết quả có được sẽ là bước đệm cho tư duy về thiết kế Robot do vậy ý tưởng của nhóm em trong tương lai sẽ cho sản phẩm Robot hoàn thiện thực tế và ngoài ra có thể ứng dụng nó vào công nghiệp chế tạo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển. Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí.

[2]. Nguyễn Trọng Hiệp. Chi tiết máy (NXB Giáo dục, 2006).

[3]. PGS. Phan Bùi Khôi. Slide bài giảng Robotics.

[4]. PGS. Phan Bùi Khôi. Slide bài giảng Tính toán thiết kế Robot.

[5]. PGS.TS Nguyễn Nhật Lệ - ThS.Nguyễn Văn Quyền. Giải bài toán tối ưu hóa và điều khiển tối ưu bằng phần mềm MapleSoft.

[6]. PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng. Matlab & Simulink cho kỹ sư.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ TIỂU LUẬN"