MỤC LỤC

MỤC LỤC…………………………………………………………………………..........................................2

LỜI MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………...........................................3

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC........................................................................6

1. Phân tích mục đích ứng dụng của robot ...........................................................................................6

2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác...................................................................................................7

a) Phân tích yêu cầu về vị trí..................................................................................................................7

b) Phân tích yêu cầu về vị trí..................................................................................................................8

c) Yêu cầu về hướng của khâu thao tác................................................................................................8

3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật ........................................................................................................8

a) Số bậc tự do cần thiết........................................................................................................................8

b) Vùng làm việc có thể với tới của Robot ............................................................................................8

c) Yêu cầu về tải trọng.......................................................................................................................... 9

4. Các phương án thiết kế cấu trúc Robot, khớp và đưa ra phương án...............................................9

5. Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác...................................................10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 3D MÔ HÌNH ROBOT…………………………...........................................….11

1. Thiết kế 3D........................................................................................................................................11

2. Lập bản vẽ 2D..................................................................................................................................12

3. Lập hồ sơ kỹ thuật ...........................................................................................................................12

4. Xác định các thông số đặc trưng hình học – khối lượng…………………..…...................................13

CHƯƠNG 3 : BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT…………………………..........................................….14

1. Đặt hệ trục tọa độ và thiết lập bảng thông số tuân theo Denavit – Hartenberg................................14

2. Bài toán động học thuận Robot........................................................................................................16

a) Tính các ma trận D - H.....................................................................................................................16

b) Xác định hướng của khâu thao tác..................................................................................................17

c) Xác định tọa độ điểm thao tác và vận tốc dài của điểm thao tác.....................................................18

d) Vận tốc góc và gia tốc góc các khâu...............................................................................................18

3. Bai toán động học ngược................................................................................................................19

a) Động học ngược vị trí......................................................................................................................19

b) Động học ngược vận tốc và gia tốc................................................................................................19

4) Thiết kế quỹ đạo chuyển động........................................................................................................20

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH YÊU CẦU LỰC/MOMEN ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT....23

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC.....................................................................................24

1. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot……………………..…................................25

a) Tính ma trận khối lượng.................................................................................................................26

b) Tính lực quán tính Coriolis..............................................................................................................31

c) Lực quán tính li tâm........................................................................................................................32

d) Lực suy rộng của các lực không thế..............................................................................................32

2. Động lực học ngược.......................................................................................................................33

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG ROBOT...................................................................................33

1. Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 1...................................................................................................33

2. Chọn động cơ.................................................................................................................................41

3. Tính chọn hộp giảm tốc..................................................................................................................43

4. Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu của robot....................................................................45

CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN…………………….........................................….46

1. Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển...........................................................46

2. Mô phỏng bằng Matlab..................................................................................................................42

KẾT LUẬN.........................................................................................................................................53

TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................................54

LỜI MỞ ĐẦU

Do đó việc sử dụng các tay máy hay còn gọi là Robot công nghiệp vào trong sản xuất đang rất được ưa chuộng bởi vì chúng đáp ứng được các yêu cầu trên. Như chúng ta đã biết Robot có rất nhiều ưu điểm đặc biệt là chất lượng và độ chính xác, ngoài ra còn phải kể đến hiệu quả kinh tế cao. Có thể làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, các công việc yêu cầu cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng tinh tế đòi hỏi trình độ của thợ bậc cao, và quan trọng là Robot không bị căng thẳng như con người nên có thể làm việc cả ngày.

Xuất phát từ yêu cầu đó, các tay máy Robot ra đời để đảm bảo sự tự động hóa trong quá trình chế tạo, làm việc. Hơn thế, Robot ra đời còn giúp con người làm việc trong các môi trường độc hại mà con người không thể tiếp xúc trực tiếp được.

Cụ thể nhóm quyết định lựa chọn đề tài “Tính toán thiết kế Robot ứng dụng trong sơn tường” nhóm tin tưởng rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán cũng như thiết kế Robot trong bài tập lớn này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc làm quen ,tính toán thiết kế một loại robot trong tương lai cho sinh viên . Giúp Sinh viên có những kiến thức tổng quan nhất về robot, biết cách thiết kế, tính toán và lập trình theo modun một Robot hoàn chỉnh có chức năng nhất định.

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy: PGS.TS ……………... Cảm ơn thầy vì những đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình hoàn thành bài tập lớn. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ giúp chúng em tự tin hơn trong cách thức tiếp cận nền công nghiệp hiện nay. Mặc dù đã có sự chuẩn bị nhưng những kiến thức chúng em đề cập đến trong bài thuyết minh này còn thiếu sót. Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa để bài thuyết minh hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn và chúc Thầy sức khỏe! 

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC

1. Phân tích mục đích ứng dụng Robot

Robot ngày càng được sử dụng nhiều trong các công việc gia công cơ khí. Chúng được dùng để thực hiện tự động các công việc thủ công. Robot thực hiện rất tốt các thao tác lặp đi lặp lại, gia công hàng loạt chi tiết với các thao tác như nhau , giải phóng con người khỏi các công việc nhàm chán đó. Trong gia công  khắc các chi tiết cũng vậy nó đòi hỏi độ chính xác và tập trung cao độ của công nhân trong quá trình làm việc, điều đó dường như là không thể vì vậy đây là lĩnh vực mà Robot có thể thay thế con người để tăng năng suất.

2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

a) Đối tượng thao tác, dạng thao tác:

- Nhiệm vụ của robot là sơn tường và vẽ hình trên tường (tường có kích thước tối đa 1000 x 1000 mm) do đó:

- Đối tượng thao tác là bề mặt tường phẳng.

c) Yêu cầu về hướng:

- Đối tượng là mặt phẳng nên hướng thao tác là hướng vuông góc với bề mặt của tường do đó hướng cố định và không thay đổi trong quá trình làm việc

- Về vận tốc thì Robot phải đáp ứng phun sơn với vận tốc ổn định để quá trình làm việc không bị gián đoạn. Không có yêu cầu về gia tốc.

3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật

a) Số bậc tự do cần thiết:

Để đảm bảo đủ yêu cầu về di chuyển theo đường thẳng và đường cong trên 1 mặt phẳng cần tối thiểu 2 bậc tự do. Nếu robot có từ 3 bậc tự do lên thì chuyển động của robot sẽ càng linh hoạt tuy nhiên việc tính toán thiết kế sẽ gặp nhiều khó khăn và đối với yêu cầu của bài toán thực sự không cần thiết. Do đó, nhóm quyết định lựa chọn robot 2 bậc tự do cho đề tài.

b) Vùng làm việc có thể với tới của robot:

Vùng làm việc có thể với tới của robot như hình 4.

c) Yêu cầu về tải trọng:

Tải trọng ở đầu phun sơn không quá nặng để đảm bảo về khâu 3 không bị uốn quá mức cho phép ảnh hưởng đến vị trí tương quan của đầu phun sơn và mặt tường

1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot

a) Phương án 1: 3 bậc tự do (TRR)

- Ưu điểm: Chuyển động linh hoạt tối ưu do có 2 khớp quay

- Nhược điểm: Khâu tịnh tiến cồng kềnh, tốn kém chi phí và không gian thao tác

c) Phương án 3: 2 bậc tự do (TT)

- Ưu điểm: Chuyển động bao quát trong mặt phẳng, tính toán dễ dàng

- Nhược điểm: Độ dài và khối lượng các khâu lớn

Sau khi phân tích ,trong các cấu trúc đề xuất nhóm lựa chọn phương án thiết kế Robot 3 với cấu trúc 2 bậc tự do (TT) gồm 2 khớp tịnh tiến để chuyển động cho đầu phun sơn trên mọi điểm của mặt phẳng tường. Đơn giản trong quá trình tính toán vừa dễ dạng trong quá trình thiết kế và chế tạo.

5. Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác

Hệ thống thao tác:

- Sử dụng hệ thống truyền chuyển động là thanh răng bánh răng để đảm bảo yêu cầu về độ chính xác, tránh đi quá hành trình chuyển động, qua lại được nhiều hành trình.

- Điều khiển bằng bộ điều khiển ở ngoài tác động lên robot

CHƯƠNG 2:  THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D

1. Thiết kế 3D

Mô hình 3D của robot khi phun sơn như hình 9.

3. Lập hồ sơ kỹ thuật

- Robot chuyển động tịnh tiến để di chuyển đầu phun sun trên mặt phẳng thẳng đứng có kích thước 1000x1000mm

- Đầu phun sơn được gắn trực tiếp tại khâu thao tác cuối cùng, sơn được bơm tự 1 bình đựng sơn đặt dưới chân robot. Kết hợp cảm biến tiệm cận để đo khoảng cách đầu phun sơn và mặt tường, từ đó điều khiển khoảng cách sơn phù hợp   

- Vận chuyển robot bằng cách điều khiển 4 động cơ có gắn bánh xe ở dưới gốc robot. Có thể chuyển động ngang dọc tùy ý người điều khiển

4. Xác định các thông số đặc trưng hình học - khối lượng

- Để đảm bảo robot có thể chuyện động tối đa 1000x1000mm nên ta sẽ tăng thêm chiều dài của khâu thêm 200m để có độ dư về kích thước khâu. Khâu 2 là khâu trung gian nên cần chỉ cần ngắn vừa đủ

- Khối lượng khâu sẽ giảm dần từ gốc lên. Khâu 2 sẽ chọn test trước sau đó sẽ tính bên trên phần mềm sau để phù hợp với yêu cầu bài toán

CHƯƠNG 3:  BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT

1. Đặt hệ trục tọa độ và thiết lập bảng thông số tuân theo Denavit – Hartenberg

Đối với các Robot công nghiệp, Denavit – Hartenberg (1995) đã đưa ra cách chọn các hệ trục tọa độ có gốc tại khớp thứ i như sau:

- Trục z_i-1 được chọn dọc theo trục của khớp động thứ i.

- Trục x_i-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của hai trục z_i-2 và z_i-1, hướng đi từ trục z_i-2 sang z_i-1. Nếu trục z_i-1 cắt trục z_i-2 thì hướng của trục x_i-1

được chọn tùy ý, miễn là vuông góc với z_i-1. Khi hai trục z_i-1 và z_i-2 song song với nhau, trục x_i-1 chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được.

- Gốc tọa độ O_i-1 được chọn tại khớp thứ i

- Trục y_i-1 được chọn sao cho hệ (Oxyz)_i-1 theo quy tắc bàn tay phải

Từ quy tắc trên ta xây dựng được các hệ tọa độ như hình 4.1:

+ Các thông số đầu vào q₁,q₂

+ Thông số cần xác định: tọa độ điểm tác động cuối E .

+ Ta có bảng động học Denavit-Hartenberg (DH):

2. Bài toán động học thuận Robot

Đối với bài toán động học thuận, vị trí, vận tốc, gia tốc các biến khớp xem như đã biết, cần tìm vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định.

Vị trí của khâu thao tác đối với hệ tọa độ cố định  được xác định bởi các tọa độ thao tác gồm các tọa độ định vị điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác.

a) Tính các ma trận D-H

Ma trận của phép biến đổi hệ tọa độ khớp (Oxyz)_i-1 sang hệ tọa độ (Oxyz)_i kí hiệu là ^i-1A_i có dạng như dưới.

Thay các giá trị trong bảng tham số Denavit – Hartenberg vào công thức 4.1 ta được các ma trận biến đổi Denavit – Hartenberg giữa các hệ trục tọa độ như sau :

+ Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H khâu 1 đối với khâu 0

+ Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H khâu 2 đối với khâu 1

b) Xác định hướng của khâu thao tác:

- Ma trận ⁰ A₂ cho ta biết hướng và vị trí của khâu thao tác trong hệ tọa độ cố định hay nói cách khác là vị trí của điểm tác động cuối và hướng của hệ tọa độ động gắn vào khâu tại điểm tác động cuối trong hệ tọa độ cố định. Vì thế nó còn được biểu diễn qua thông số các biến khớp ta tạm gọi là q_i. Trong bài toán cụ thể thì nó là các khớp tịnh tiến_i, với i=1÷2.  Khi đó, ma trận (*)  được kí hiệu thành ⁰ A₂ (q )

- Do ma trận ⁰A₂(q) biểu diễn vị trí và hướng của khâu thao tác trong hệ  tọa độ cố định thông qua biến khớp q_i (Ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học). Còn ma trận ⁰A_n(t) cũng mô tả vị trí và hướng của khâu thao tác thông qua hệ tọa độ khâu thao tác. Ở đây ta chọn cách biểu diễn thông qua các góc Cardan.

=> Hướng của khâu thao tác:

c) Xác định tọa độ điểm thao tác và vận tốc dài của điểm thao tác:

- Từ đó ta có phương trình động học ROBOT có dạng ⁰A₂(q)=⁰A_n(t). Với n=2 vì cơ cấu  Robot có 2 khâu động.

⁰A₂(q)=⁰A_n(t)

d) Vận tốc góc và gia tốc góc các khâu:

Do robot thiết kế theo cơ cấu TT 2 khâu tịnh tiến, suy ra vận tốc góc tại khâu 1 và khâu 2 có giá trị bằng 0:

ω₁ = ω₂ = 0

Đồng thời, gia tốc góc tại khâu 1, khâu 2 cũng có giá trị bằng 0:

ε₁ = ε₂ = 0

3. Bai toán động học ngược

Nhiệm vụ của bài toán động học ngược là tìm các biến khớp với điều kiện tọa độ và hướng khâu thao tác đã biết. Cụ thể trong bài toán này, bài toán động học ngược có nhiệm vụ tìm q₁, q₂ với điều kiện  đã biết.

a) Động học ngược vị trí :

+ Thông số đầu vào : Tọa độ khâu thao tác E.

+ Thông số đầu ra : Lượng tịnh tiến q₁, q₂.

b) Động học ngược vận tốc và gia tốc:

Đầu ra cần xác định là (với vị trí đã tìm được ở bài toán động học ngược vị trí) như phương trình dưới.

4. Thiết kế quỹ đạo chuyển động

- Khi sử dụng robot thực hiên thao tác công nghệ hoặc phục vụ cần phải thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot :

+ Quỹ đạo chuyển động của Robot là tập hợp các quy luật chuyển động của robot khi thực hiện thao tác. Hoặc nói gọn hơn là tập hợp các quy luật chuyển động thao tác của robot.

+ Thiết kế chuyển động của robot là xây dựng các quy luật chuyển động thao tác của robot dưới dạng giải tích, hoặc dạng số và các chương trình.

Có hai cách thiết kế quỹ đạo chuyển động :

+ Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian thao tác

+ Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp 

- Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác:

+ Là thiết kế quy luật chuyển động của các khâu theo chuyển động của khâu thao tác.

- Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp:

+ Là thiết kế quy luật chuyển động cho các khâu của robot đảm bảo yêu cầu đã biết.

+ Yêu cầu về chuyển động của mỗi khâu có thể được cho

+ Quỹ đạo trong không gian khớp cho robot di chuyển từ điểm A đến điểm B mà không quan tâm đến các vị trí trung gian trong quãng đường AB mà robot đi qua.

+ Yêu cầu về chuyển động của mỗi khâu có thể được tính toán từ bài toán động học.

+ Thiết kế quy luật chuyển động, xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của các khâu của robot theo các đặc trưng về vị trí, vận tốc, gia tốc của khâu thao tác tại các điểm nút trên đường dịch chuyển.

Quy luật vận tốc hình thang gồm có 3 giai đoạn:

- Giai đoạn I: Vận tốc tăng từ 0 đến giá trị ổn định làm việc, gia tốc a₁.

- Giai đoạn II: Vận tốc không đổi trong quá trình thao tác, a₂=0.

- Giai đoạn III: Vận tốc giảm dần về 0, gia tốc a₃.

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH YÊU CẦU LỰC/MOMEN ĐỘNG CƠ LỚN NHẤT

- Cơ cấu gắn vào Robot bao gồm các khâu nối với nhau bởi các khớp. Trọng tâm được đặt vào trung điểm của từng khâu.

- Bài toán đặt ra là: Giả thiết ngoại lực tác động vào khâu thao tác tại điểm E gồm véc tơ lực F_E,3 và momen M_E,3. Tính lực (và mômen) tác động vào các khớp  để đảm bảo robot cân bằng tĩnh.

Chú ý:

+ Các lực, mô men, các ^krⁱ_i-1 , ^krⁱ_ci

+ Sử dụng ma trận D-H để chuyển đổi, tính toán giữa các hệ tọa độ như phương trình dưới.

* Xét khâu 2:

* Xét khâu 1:

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

1. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

Do M(q) là ma trận đối xứng nên m_ik,k = m_jk,i = m_kl,i.

Tenso quán tính các khâu :

* Khâu 1 :

* Khâu 2 :

Ma trận Jacobi tịnh tiến các khâu :

⁰A_i ,  : ⁰A₁,  ⁰A₂, ,

Ma trận Jacobi quay :

⁰A_i ,  : ⁰A₁  ,    ⁰A₂   ,  ,   .

* Khâu 1 :

* Khâu 2 :

2. Động lực học ngược

Cho trạng thái chuyển động của robot, vị trí, vận tốc, gia tốc đã biết, cần xác định :

+ Lực điều khiển: Như phương trình dưới.

CHƯƠNG 6 : THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG ROBOT

1. Thiết kế hệ dẫn động cho khâu 1

Khâu 1 chuyển động tịnh tiến nên để đạt độ chính xác cao ta chọn bộ truyền vitme đai ốc bi cho hệ dẫn động.

- Ưu điểm :

+ Khắc phục độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ cứng vững chiều trục cao

+ Tổn thất do ma sát bé, hiệu suất bộ truyền đạt tới 0.9 so với vít me đai ốc trượt là 0.2 - 0.4

+ Gần như độc lập hoàn toàn với lực ma sát ( biến đổi theo tốc độ ma sát tĩnh rất bé nên chuyển động rất êm)

- Nhược điểm:

+ Nhược điểm của vitme đai ốc bi là khả năng chịu tải kém hơn so với vít me thường. ( do đặc điểm cấu tạo)

+ Ngoài ra do cần độ chính xác rất cao nên chế tạo khó khăn và gia thành cũng là nhược điểm của vitme đai ốc bi.

* Điều kiện thiết kế:

- Chiều dài làm việc: S₁ = 1000 mm

- Tốc độ làm việc : v = 0,3 m/s.

- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0,2g = 1,96 m/s².

- Thời gian hoạt động: L_t = 25000 h

- Hệ số ma sát trượt bề mặt: μ = 0,1.

- Tốc độ vòng động cơ: N_max = 3000 vg/ph.

- Độ chính xác vị trí : ±0,1/1000mm

- Độ chính xác lặp : ±0,01mm

-  Chọn trục vít me - ổ bi cho cho khâu 1

a) Tính toán lực dọc trục:

Các thành phần trong các công thức:

- Hệ số ma sát: μ = 0,1.

- Khối lượng đặt lên khâu 1: m = m₁ + m₂ = 5 + 10 = 15 (kg)

- Khối lượng đặt lên khâu 2: m = m₂ = 10 (kg)

- Khâu 1: f₁ = F_a1 = 14,7 (N)

- Khâu 2: f₂ = F_a2 = 9,81 (N)

b) Tính toán tải trọng động C_a

- Khâu 1: C­_a1 = (60.N_max.L_t)^1/3.F_1m.f_m.10^-2

C­_a1 = (60.3000.25000)^1/3.73,5.1,2.10^-2= 1456,15 kgf = 14,28 (kN)

- Khâu 2: C­_a2 = (60.N_max.L_t)^1/3.F_2m.f_m.10^-2

C­_a2 = (60.3000.25000)^1/3.49,03.1,2.10^-2= 971.36 kgf = 9,525 (kN)

d) Chọn đường kính trục vít

* Khâu 1:

- Kiểu ổ bi là cố định – di động → f = 15,1

- Tốc độ quay vòng của động cơ 3000 (rpm)

- L₁ = 1000 (mm)

* Khâu 2:

- Kiểu ổ bi là cố định – di động → f = 15,1

- Tốc độ quay vòng của động cơ 3000 (rpm)

- L₁ = 1000 (mm)

e) Chọn loại trục vít me:

Từ độ cứng yêu cầu và các yếu tố: tải trọng, đường kính, chiều dài, kích cỡ ổ bi…, ta chọn được series trong catalog của hãng PMI phù hợp cho các khâu như sau: Loại trục vít me PMI 25 bước 10 mã số: 1R25-10A2-FSWC-770-933-0.018 có thông số như hình dưới đây.

Kiểm nghiệm bền cho hệ dẫn động:

a) Kiểm nghiệm trục vít:

* Khâu 1:

+ Khả năng tải động :

C_a1 = 1456,15 (kgf) < [Ca] = 1820 (kgf)

* Khâu 2:

+ Khả năng tải động :

C_a2 = 971.36 (kgf) < [Ca] = 1820 (kgf)

b) Kiểm nghiệm ổ bi đỡ

Kiểm nghiệm khả năng tải động của ổ:

Gọi L_t : là tuổi thọ của s tính bằng giờ: chọn L_t = 25000h

n = 3000 (vg/ph) : là số vòng quay của trục vít

Vậy L = 4500 (triệu vong quay)

- Xác định tải trọng động quy ước Q

𝑄 = (𝑋. 𝑉. 𝐹_r + 𝑌. 𝐹𝑎)K_tK_d

Fr, Fa : là lực hướng tâm và lực dọc trục

V : là hệ số kể đến vòng nào quay, ở đây vòng trong quay →V=1

K_t : là hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ Kt = 1(𝑡𝑜 < 100𝑜)

K_d : là hệ số kể đến đặc tính tải trọng. Va đập nhẹ: K_d = 1

X ,Y : là hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục

* Lực hướng tâm:  vì khối lượng khâu tịnh tiến được đỡ chủ yếu bởi rãnh mang cá, khối lượng trục vít nhỏ nên coi như ổ bi đỡ chịu lực hướng tâm gần bằng 0:

F_r0=F_r1  0

=> F_r1=F_r2  0

* Lực dọc trục do lực hướng tâm sinh ra trên các ổ:

=> Vậy hầu như chỉ có lực dọc trục tác động lên ổ

- Tải trọng quy ước trên ổ khâu 1 và 2 là:

Q₁ = Y.F_1m.K_t.K_d = 1.73,5.1.1 = 73,5 N

=> Q₂ = Y.F_2m.K_t.K_d = 1.49,03.1.1 = 49,03 N

Vậy  Q_t = 1,21 kN < 15,6 kN

 Q_t = 0.809 kN < 15,6 kN

Vậy ổ bi đã chọn thỏa mãn khả năng tải động

2. Chọn động cơ :

a) Chọn động cơ khâu 1

Tốc độ quay của động cơ là :

N_ct = 1800 ( vòng/phút )

=> N_đc ≥ N_ct = 1800 vòng/phút

Nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, giảm thiểu phát sinh nhiệt, đồng thời đảm bảo tốc độ cao và tần suất làm việc thay đổi nhanh, liên tục, ta chọn động cơ servo.

Dựa vào công suất tính toán của động cơ, theo catalog của hãng Yaskawa ta chọn loại động cơ servo thuộc dòng SGMJV-01A có công suất tối đa là 100W và tốc độ quay định mức là 3000 vòng/phút

b) Chọn động cơ khâu 2

Cần chọn động cơ có công suất lớn hơn hoặc bằng công suất cần thiết:

=> P_đc ≥ P_ct = 40 W

Tốc độ quay của động cơ là :

N_ct = 1800 ( vòng/phút )

=> N_đc ≥ N_ct = 1800 vòng/phút

Nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động, giảm thiểu phát sinh nhiệt, đồng thời đảm bảo tốc độ cao và tần suất làm việc thay đổi nhanh, liên tục, ta chọn động cơ servo.

Dựa vào công suất tính toán của động cơ, theo catalog của hãng Yaskawa ta chọn loại động cơ servo thuộc dòng SGMJV-01A có công suất tối đa là 100W và tốc độ quay định mức là 3000 vòng/phút

4. Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu của robot:

Chọn vật liệu thép cacbon có khối lượng riêng , có ứng suất cho phép  =42.5(kg/mm² )=4,25 x10⁸ (N/m² )

Dưới đây là ứng suất, chuyển vị của từng khâu sau khi đặt lực:

* Khâu 3: Gắn đầu phun sơn khối lượng 0,2kg do đó chịu lực hướng xuống P = 2 N

* Khâu 2: Do chịu tác dụng của đầu phun sơn và khâu 3 có khối lượng 10 + 0.2 = 10,2kg do đó chịu lực hướng xuống P = 102N

Từ mô phỏng ta thấy các ứng suất lớn nhất trên các khâu đều nhỏ hơn ứng suất cho phép rất nhiều nên Robot có thể đảm bảo độ bền, đồng thời chuyển vị cũng nhỏ, không đáng kể so với kích thước của Robot.

CHƯƠNG 7 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1. Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển

Mô phỏng điều khiển sử dụng luật điều khiển PID:

Ta có bài toán cụ thể sau: sơn diện tích tường 1x1(m) theo quy trình như hình.

Ta lấy 3 điểm tiêu biểu: A ; B (1000,1000); C (0,800). Ta xét chuyển động đi từ A đến B và từ B đến C (các chuyển động còn lại tương tự).

- Khi đi từ A (0,1000) đến B (1000,1000) trong t=6,042s:

+  Khi 0≤t<,042, robot di chuyển với gia tốc a=4m/s²

Yd=2

Vd=4t

- Khi đi từ B (1000,1000) đến C (0.800) trong 1,242s:

+  Khi 6,042≤t<6,084, robot di chuyển với gia tốc a=4m/s²

 Xd=2

 Vd=4(t-6,042)

2. Mô phỏng bằng Matlab

Bên trong khối control PD:

Bên trong khối robot TT:

Mô hình khối của hệ thống trong môi trường matlab

Kết quả sau khi chạy hệ thống:

Quỹ đạo chuyển động:

Sai lệch vị trí : 3x10 m

Vận tốc đặt theo Y:

Sai lệch vận tốc: 7.1x m/s

Vị trí đặt theo X:

Sai lệch vị trí: 10.9x m

KẾT LUẬN

Sau một thời gian tìm hiểu và nghiên cứu, đến nay chúng em đã hoàn thành đề tài thiết kế Robot sơn tường được giao. Các kết quả đạt được trong quá trình làm việc như sau:

1. Phân tích và lựa chọn cấu trúc Robot.

2. Thiết kế mô hình 3D cho Robot.

3. Thiết kế hệ thống dẫn động (Tính toán chọn động cơ, kiểm nghiệm độ bền khâu, …).

4. Thiết kế hệ thống điều khiển.

5. Mô phỏng Robot trên Matlab.

Như vậy với phần mô phỏng và bản thuyết minh mà chúng em đã tìm hiểu và xây dựng lại có thể tính toán thêm, thiết kế và chế tạo được loại robot công nghiệp tương tự. Có thể tự vận hành và hiểu được nguyên lý vận hành chung của robot công nghiệp và đặc biệt là hiểu rõ hơn phần lý thuyết đã được học trong quá trình tìm hiểu. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nhiều nên quá trình tìm hiểu sẽ có thể có sai sót nhỏ không tránh khỏi. Dưới sự hướng dẫn của thầy : PGS. TS……………. và thầy : ThS……....…….. chúng em đã thu được nhiều kiến thức về lĩnh vực robot, lĩnh vực điều khiển và có thêm các phương pháp để tiếp cận và giải quyết vấn đề.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

                                                                                                                                             Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…

                                                                                                                                            Nhóm sinh viên thực hiện

                                                                                                                                                1) ………………….

                                                                                                                                                2) ………………….

                                                                                                                                                 3) ………………….

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. PGS. TS Phan Bùi Khôi: Lập trình mô phỏng hệ thống điều khiển trong Matlab

2. PGS. TS Phan Bùi Khôi: Bài giảng Robotic

3. Các video trên Youtube về Matlab Simulink

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ TIỂU LUẬN"