Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 1 Mục lục Trang Lời nói đầu 4 CHƯƠNG I PHÂN TÍCH VÀ CHỌN KÊT CẤU 5 1 Số bậc tự do cần thiết 5 2 Các phương án thiết kế và cấu trúc các khâu khớp 6 3 Phân tích, chọn, thiết kế cấu trúc được chọn 7 CHƯƠNG 2 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 9 2.1 Khảo sát bài toán động học thuận Robot 9 2.2 Thiết lập các phương trình động học robot 10 2.3 Bài toán động học thuận 12 2.4 Bài toán động học ngược 18 CHƯƠNG 3 TĨNH HỌC ROBOT 21 3.1 Phân tích lực 21 3.1.1 Tính lực và momen ở khâu 3 21 3.1.2 Tính lực và momen khâu 2 22 3.1.3 Tính lực và momen khâu 1 23 3.2 Tính toán lực và momen lớn nhất ở trạng thái tĩnh 24 CHƯƠNG 4 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 25 4.1 Xây dựng cấu trúc động lực học 25 4.1.1 Xác định thế năng của robot 26 4.1.2 Xác định các Ma trân Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay 26 4.2 Xác định động năng của Robot 27 4.3 Xác định các ma trận Clioris 28 4.4 Xác định lực suy rộng 30 4.5 Phương trình vi phân chuyển động của robot 30 CHƯƠNG 5 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG ROBOT 32 Phần A BỘ TRUYỀN VITME ĐAI ỐC BI 32 5.1 Các thông số đầu vào 32 Bước vitme l 33 Tìm lực cắt chính của Robot khi gia công 33 Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 2 Điều kiện làm việc và các thông số sẽ được tính chọn 33 5.2 Chọn trục vít 34 5.2.1 Tính toán lực dọc trục 34 5.5.2 Tính toán tải trọng động C a 35 5.2.3 Chiều dài trục vít-me 35 5.2.4. Chọn đường kính trục vít 36 5.2.5 Chọn series 37 5.3 Tính chọn ổ bi đỡ 37 5.4 Tính toán kiểm nghiệm 38 5.4.1 kiểm nghiệm trục vít 38 5.4.2 Kiểm nghiệm ổ lăn 40 5.5 Chọn động cơ 42 5.5.1 Momen phát động 42 5.5.2 Chọn động cơ 44 PHẦN B BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CHO KHÂU 3 45 5.1 Thông số đầu vào 45 5.2 Tính toán động học 45 5.3 Thiết kế bộ truyền 47 5.3.1 Chọn vật liệu 47 5.3.2 Xác định ứng xuất cho phép 48 5.4 Tính toán thiết kế bộ truyền bánh răng 51 5.4.1 Xác định khoảng cách trục 51 5.4.2 Xác định thông số ăn khớp 52 5.5 Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng 53 5.5.1 Kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc 53 5.5.2 Kiểm nghiệm độ bền uốn 55 5.5.3 Kiểm nghiệm về quá tải 56 5.5.4 Tổng kết các thông số cơ bản của bộ truyền 57 5.6 Tính toán thiết kế khớp nối 58 5.6.1 Tính chọn khớp nối 58 5.6.2 Kiểm nghiệm khớp nối 60 5.6.3 Tổng kết thông số cơ bản của nối trục vòng đàn hồi 60 Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 3 5.7 Tính toán thiết kế trục 61 5.7.1 Chọn vật liệu 61 5.7.2 Xác định lực và sơ đồ đặt lực 61 5.7.3 Hệ phương trình cân bằng lực và momen 62 5.7.4 Xác định đường kính trục 64 5.7.5 Tính mối ghép then 66 5.7.6 Kiểm nghiệm độ bền trục 67 5.8 Chọn ổ lăn 72 5.8.1 Ổ lăn trục I 72 5.8.2 Ổ lăn trục II 75 Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 4 Lời nói đầu Nền khoa học kỹ thuật ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ, dẫn tới những thay đổi lớn lao trong sản xuất. Đó là sự thay đổi lực lượng sản xuất trong mọi nghành nghề bằng việc thay sức lao động của người bằng máy móc nhằm đảm bảo tăng năng suất lao động, sản lượng cũng như chất lượng sản phẩm. 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 suốt cả ngày. Ngày nay việc viết chữ và khắc chữ trên các vật liệu của con người là một trong những nhu cầu rất cần thiết , việc viết đẹp và đều trong thời gian dài quả là điều khó khăn đối với con người, chính vì thế mà việc nghiên cứu chế tạo ra một thiết bị như cánh tay robot để làm được việc đó có ý nghĩa rất lớn. Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot trong khuôn khổ môn học tính toán thiết kế robot sẽ là cơ sở để chúng em tính toán, thiết kế cũng như điều khiển các loại Robot trong công nghiệp phục vụ sản xuất. Cụ thể, ở đây chúng em chọn đề tài tính toán, thiết kế Robot viết chữ phục vụ việc khắc chữ trên các sản phẩm công nghiệp. Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 5 CHƯƠNG I PHÂN TÍCH VÀ CHỌN KÊT CẤU 1 Số bậc tự do cần thiết Đề bài yêu cầu tính toán thiết kế Robot khắc chữ trên mặt phẳng ngang với hướng viết tùy ý trong không gian làm việc 50×70cm, từ đó ta có thể hình dung cần 2 bậc tự do để xác định tọa độ một điểm trên một mặt phẳng, một bậc tự do để xác định chiều cao trong không gian, do đó số bậc tự do tối thiểu mà Robot cần có là 3 bậc tự do. Dưới đây là một số cơ cấu có thể dung để xác định các vị trí trong không gian. Cơ cấu robot tọa độ Đecac: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT). Không gian làm việc của bàn tay có dạng khối chữ nhật. Hình 1.1 Cơ cấu tọa độ Đecac Cơ cấu robot tọa độ trụ: Không gian làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường khớp thứ nhất là chuyển động quay. Hình 1.2 Cơ cấu tọa độ trụ Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 6 Cơ cấu robot tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu. Hình 1.3: Cơ cấu tọa độ cầu 2 Các phương án thiết kế và cấu trúc các khâu khớp Phương án 1: Robot 4DOF TTRR Phương án 2 : Robot 3DOF RRR Phương án 3: Robot 3DOF RRT Phương án 4: Robot 4DOF TTRR Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 7 Phương án 5: Robot 4DOF RTRR Phương án 6: Robot 3DOF RTR Phương án 7 : Robot 3DOF TTR 3 Phân tích và thiết kế cấu trúc được chọn Với kết cấu 4, 5, 6 bậc tự do, Robot sẽ trở nên linh hoạt hơn, sự di chuyển của Robot sẽ uyển chuyển hơn nhưng đồng thời việc tính toán và thiết kế cũng phức tập hơn do đó chi phí cho Robot là rất lớn. Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài toán đặt ra, ta lựa chon phương án 7: Robot 3 bậc tự do TTR, Robot có 2 khâu tịnh tiến xác định vị trí một điểm trên mặt phẳng và khâu cuối chuyển động quay để xác định tọa độ theo chiều cao và hướng viết trong hệ tọa độ Dề Các. Do đó việc lựa chọn phương án này hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu bài toán khi cần thao tác trên mặt phẳng với hương viết tùy ý. Kết cấu 3D sơ bộ của Robot được thiết kế như sau. Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 8 Hình 1.4 phương án thiết kế cho robot TTR Khớp 1 là khớp tịnh tiến sẽ đi dọc chiều dài miền làm việc theo yêu cầu , khớp 2 là khớp tịnh tiến và sẽ đi ngang miền làm việc, như vậy với 2 khớp trên ta đủ để xác định vị trí của một điểm trên mặt phẳng thao tác. Khớp 3 là khớp quay để điều chỉnh độ cao của bút vẽ so với mặt bàn ngang. Khâu 1 và khâu 2 sẽ dùng vít me ổ bi vì cùng là tịnh tiến Khâu 3 dùng ổ bi. Phần tính chọn vít me , ổ bi và các thông số chi tiết cho kết cấu sẽ được trình bày kĩ trong phần thiết kế cơ khí và tính chọn vít me ổ bi bên dưới. Với kết cấu như trên theo nhóm 4 là phù hợp với yêu cầu của đề bài. Sau khi lựa chọn kết cấu và chọn sơ bộ các khâu, khớp thì sẽ tiến hành giải các bài toán động học, động lực học,chọn động cơ, và mô phỏng. Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 9 CHƯƠNG 2 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC 2.1 Khảo sát bài toán động học thuận Robot Với mô hình tính toán bên trên ta đặt các hệ trục tọa độ theo quy tắc Denevit – Hatenberg và có sơ đồ hệ trục như hình vẽ: Hình 2.1 sơ đồ hệ trục robot Sau khi có sơ đồ trên thì ta thiết lập bảng DH: Bảng 2.1 Bảng các tham số động học của robot khâu         1 0 1 q a 1 90 0 2  2 q 0 90 0 3 3 q 0 a 3 0 Trong đó 1 2 3 ,,q q q là các biến khớp , còn a 1 , a 3 là các hằng số Và X=[x 1 ,x 2 ,x 3 ] T là véc tơ biểu diễn vị trí của bàn kẹp trong hệ cố định. 1 2 3 [ , , ]q q q q là các góc xoay và tịnh tiến của các biến khớp - Dạng tổng quát của ma trận Denavit-Hartenberg cho các khâu Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 10 i-1 A i =   i i i i i i i i i i i i i i i i i cosθ sin θ cosα sin θ sin α a cosθ sinθ cos θ cos α sin α cosθ a sin θ 2.0 0 sinα cosα d 0 0 0 1         Ma trận Denavit-Hartenbergcủa khâu 1:   1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 2.1 0 1 0 0 0 0 1 a A q         Ma trận Denavit-Hartenbergcủa khâu 2:   1 2 2 1 0 0 0 0 0 1 0 2.2 0 1 0 0 0 0 1 A q         Ma trận Denavit-Hartenbergcủa khâu 3:   3 3 3 3 2 3 3 3 2 3 cos sin 0 .cos sin cos 0 .sin 2.3 0 0 1 0 0 0 0 1 q q a q q q a q A         2.2 Thiết lập các phương trình động học robot Từ các ma trận (2.1) và (2.2) ta xác định được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khâu 2 so với trục hệ tọa độ cố định         là : 1 2 0 0 1 2 1 2 1 1 0 0 0 1 0 . (2.4) 0 0 1 0 0 0 1 a q A A A q          3 3 3 3 1 3 3 3 3 2 0 0 1 2 3 1 2 3 1 cos sin 0 .cos sin cos 0 .sin . . (2.5) 0 0 1 0 0 0 1 q q a q a q q a q q A A A A q               [...]... tiện cho việc tính toán ta sử dụng phần mềm tính toán maple Thay các giá trị q1 (t ) , q2 (t ), q3 (t ) và các thông số hình học a1 , a3 vào biểu thức của xE, yE, zE ta có ta có tọa độ của điểm thao tác là : 12 Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Ta có thể vẽ đồ thị của điểm thao tác cuối qua các tọa độ như sau với t=0 10s: Hình 2.1 Đồ thị xE theo t 13 Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S... điểm tác động cuối của robot ta tính được vận tốc của điểm cuối 15 Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Đồ thị vận tốc của điểm E trong không gian thao tác: Hình 2.5 Đồ thị vận tốc điểm E Đạo hàm các hàm của vận tốc ta được các đồ thị của gia tốc điểm E theo các phương: Hình 2.6 Đồ thị gia tốc điểm E theo các phương 16 GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Tính toán thiết kế robot Các ma trận cosin... theo t 13 Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Hình 2.2 Đồ thị yE theo t Hình 2.3 Đồ thị zE theo t 14 GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Tính toán thiết kế robot Hình 2.4: Đồ thị quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối trong không gian Tính vận tốc điểm tác động cuối E, vận tốc góc khâu thao tác Vận tốc điểm tác động cuối của Robot Từ phần trên ta đã xây dựng được quy luật chuyển cũng như tìm... Xác định động năng của Robot Ma trận ten xơ quán tính của hai khâu 1, 2 và 3 với trục gắn vào khối tâm song song với hệ trục của khâu cũng tương ứng là hệ quán tính chính trung tâm có dạng : Ci '  J xx 0 0     0 J yy 0  0 0 J   zz  Với J xx   ( y 2  z 2 )dm; J yy   ( z 2  x2 ) dm; J zz   ( x2  y2 ) dm B B B 27 GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Tính toán thiết kế robot  J1xx 0 0  34... hình hoa 4 cánh trên thì các tọa độ suy rộng phải thỏa mãn (2.34) và ta có đồ thị các biến khớp của tọa độ suy rộng: 19 GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Tính toán thiết kế robot Do thi cac bien khop q1,q2 80 q1 q2 60 40 q1,q2 [cm] 20 0 -20 -40 -60 -80 0 1 2 3 4 5 t [s] 6 7 8 9 10 Hình 2.8 Đồ thị biến khớp q1 q2 thi bien khop q3 20.5 q3 deg 20 19.5 19 18.5 0 1 2 3 4 5 t [s] 6 7 8 9 10 Hình 2.9 Đồ thị biến... tham khảo cách chứng minh trong quyển Robot công nghiệp của GS TSKH Nguyễn Văn Khang ) M (q)q  C (q, q)q  G(q)  Q np Từ (4.1) viết lại dạng điều khiển như sau : T M (q)q  C (q, q)q  G(q)  U  J E F 4.1 Xây dựng cấu trúc động lực học H Hình 4.1 Sơ đồ tĩnh học 25 GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Tính toán thiết kế robot 4.1.1 Xác định thế năng của robot Chọn gốc tính thế nắng tại mặt đất ta có : 3  ... Toản Tính toán thiết kế robot 0 0 0  0  1  0 0 0  q1   1  0        0 0 0  0      2.25 Vận tốc góc khâu 2: 0 0 0  0   0 0 0   q     0  2   2   2     0 0 0  0       2.26  Vận tốc góc khâu 3:  0  T 3  R3 R3   q3 0     q3 0 0  0  0 0     0  3   0    q3    (2.27) 2.4 Bài toán động học ngược Từ bài toán. .. chính của Robot khi gia công Trường hợp hệ vít me nằm theo phương ngang Robot làm nhiệm vụ khắc chữ nên ta coi lực cắt chính là: Fm =0 Điều kiện làm việc và các thông số sẽ được tính chọn Điều kiện làm việc: Lực chống trượt: + khớp 1 : Fa1= μ × (m1 +m2 +m3)g = 235 N + khớp 2 : Fa2 = μ × (m2 + m3)g = 55N Các thông số sẽ được tính chọn: Loại trục vít,ổ bi Cấp chính xác 33 Tính toán thiết kế robot GVHD:... a3C3     0     Fya3C3  Fxa3 S3 Do Robot chỉ thực hiện thao tác viết chữ nên coi lực và moment rất nhỏ Theo đề bài,bỏ qua lực ma sát,Moment đặt lên khâu cuối=0 : 0    rip  0  Q  F T ip  Mi   0      qi  Fya3C3  Fxa3S3    4.5 Phương trình vi phân chuyển động của robot Từ đó ta có hệ phương trình phân của robot: 30 Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 0 0 0 0 ... 0,04m3   q3  0,2m3 S3q3q2   q3  0,2m3 gS3          0 U1    U      2 0     U 3   Fya3C3  Fxa3S3      31 GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản Tính toán thiết kế robot CHƯƠNG 5 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG ROBOT Phần A BỘ TRUYỀN VITME ĐAI ỐC BI Khâu 1, 2 chuyển động tịnh tiến, để đạt độ chính xác cao ta chọn bộ truyền vitme đai ốc cho hệ dẫn động Hình 5 1 Bộ truyền vitme bi . 2 : Robot 3DOF RRR Phương án 3: Robot 3DOF RRT Phương án 4: Robot 4DOF TTRR Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 7 Phương án 5: Robot 4DOF RTRR Phương án 6: Robot. một thiết bị như cánh tay robot để làm được việc đó có ý nghĩa rất lớn. Việc tìm hiểu nghiên cứu Robot trong khuôn khổ môn học tính toán thiết kế robot sẽ là cơ sở để chúng em tính toán, thiết. nghiệp. Tính toán thiết kế robot GVHD: Th.S Đinh Khắc Toản 5 CHƯƠNG I PHÂN TÍCH VÀ CHỌN KÊT CẤU 1 Số bậc tự do cần thiết Đề bài yêu cầu tính toán thiết kế Robot khắc chữ trên