Đang tải... (xem toàn văn)
Liên hệ: Xuân Hải 0988 539 041 để lấy file mô hình trên Autodesk Inventor. Robot công nghiệp là lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thế giới nhưng ở nước ta, lĩnh vực này còn mới mẻ. Ngày nay trong quá trình sản xuất hiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng máy chuyên dùng. Các phương pháp này đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm công nghiệp phù hợp với đa số người tiêu dùng.
Báo cáo đồ án thiết kế hệ thống cơ khí Robot Scara 3 bậc tự do Một số hình ảnh mô hình Robot TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ROBOT SCARA BA BẬC TỰ DO Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thành Hùng Nhóm sinh viên thực hiện: Họ và tên Đặng Xuân Hải Phạm Đình Hạnh MSSV 20131217 20141434 Hà Nội, 06/2017 Lớp KT CĐT 02 – K58 KT CĐT 03 – K59 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng MỤC LỤC Page 4 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng LỜI MỞ ĐẦU Robot công nghiệp là lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thế giới nhưng ở nước ta, lĩnh vực này còn mới mẻ Ngày nay trong quá trình sản xuất hiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng máy chuyên dùng Các phương pháp này đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm công nghiệp phù hợp với đa số người tiêu dùng Tuy nhiên, mỗi máy công cụ được thiết kế để thực hiện nguyên công cho trước, mỗi khi cần thay đổi kiểu mẫu sản phẩm, thì toàn bộ dây chuyền sản xuất phải được cải tạo lại Việc sửa đổi rất tốn kém Chính những lý do đó đã thúc đẩy sự phát triển của phươnng pháp sản xuất tiên tiến, đó là chế tạo ra các loại robot được đưa vào quy trình chế tạo để thực hiện nhiều nguyên công như: chuyển tải vật tư và các thiết bị trong các dây truyền hiện đại, hàn điểm, sơn phun và lắp ráp trong công nghiệp ô tô Đây là kiểu tự động hóa linh hoạt và mang lại hiệu quả kinh tế cao, rất cần thiết trong hoàn cảnh đất nước ta hiện nay đang tiến tới công nghiệp hóa hiện đại hóa toàn diện Robot công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong các dây truyền sản xuất hiện đại và có sự linh hoạt cao Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo robot là rất cần thiết và vô cùng quan trọng Qua quá trình thực hiện Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí với đề tài Thiết kế em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tâm huyết của thầy TS Chúng Nguyễn Thành Hùng – Bộ môn Cơ điện tử - Viện cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Page 5 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Nội đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian hoàn thành đồ án này Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không nhiều nên trong quá trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Đề tài rất mong được sự góp ý của quý thầy cô Em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Khái niệm và nguyên lý hoạt động của Robot Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vở kịch của ông Rosum’s Universal Robots được xuất bản vào năm 1921 Co lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về việc sáng chế nhưng cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động của con người Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) và các máy công cụ điều khiển số (NC-Numerially Controoled Machine Toll) 1.1 Robot là thiết bị linh hoạt phục vụ con người – Có hình dạng (cơ cấu) gần giống tay người – Có khả năng thao tác tự động – Có khả năng bắt chước thao tác con người Các bộ phận chính của cánh tay robot – Cơ cấu chấp hành – Hệ thống dẫn động – Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lập trình linh hoạt – Hệ thống thông tin giám sát Page 6 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng • Tay máy hoạt động được nhờ các động cơ thông qua các bộ truyền như: hộp giảm tốc bánh răng, bánh răng - thanh răng, trục vít, khí nén, … • Kết cấu tay robot vững chắc, hoạt động tin cậy, dễ dàng đạt đến vị trí của vật thể được tác động Hình 1.1 Robot Scara 1.2 Một số ứng dụng của robot scara - Lắp ráp và thử nghiệm các chi tiết khác nhau, lắp ráp các linh kiện điện tử - Kiểm tra bảng PC, tự động làm sạch các thành phần mạch - Đóng gói sản phẩm - Ứng dụng tự động trong y tế Page 7 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Hình 1.2 Robot Scara lắp ráp linh kiện điện thoại di động CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ROBOT 2.1 Các thành phần kết cấu của Robot Các khâu chính Tay robot có 3 bậc tự do, thiết kế cơ khí dạng 2 khớp xoay, 1 khớp tịnh tiến Thân robot: Là khâu cố định,đặt thẳng đứng giữ robot cố định khi làm việc, gắn với khâu động 1 qua khớp xoay 1 với trục z01 thẳng đứng Khâu 1: khâu dẫn động nằm ngang vuông góc với trục thẳng đứng trong suốt quá trình làm việc của robot,có khả năng quay xung quanh trục z01 qua khớp xoay 1 Khâu 2: Khâu động có khả năng xoay trong mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp xoay 2 nối với khâu 1 Khâu 3: trục vít - đai ốc bi và thanh trượt (trục vít tịnh tiến, đai ốc quay) Hệ dẫn động Page 8 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp đều là thẳng đứng – Khớp xoay 1, 2 : hệ bánh răng(hộp giảm tốc), truyền động đai… – Khớp 3: khớp tịnh tiến (trục vít – đai ốc) – Động cơ truyền động Thông số kĩ thuật 2.2 L0=340 mm L1=250 mm L2=350 mm Hình 2.1 Các thông số kĩ thuật Robot Khả năng duỗi xa nhất tính từ khớp số 1: 600 mm Tốc độ tối đa: • Khớp 1 :450 độ/s = 75 vòng/phút • Khớp 2: 667 độ/s = 111vòng/phút Page 9 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ • GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Khớp 3: Tịnh tiến: v=2.78 m/s Khả năng lặp lại vị trí cũ (độ chính xác): • Khớp 1+ khớp 2: ±0.02 mm • Khớp 3: Tịnh tiến: ±0.01 mm Hình 2.2 Giới hạn miền làm việc - Tải trọng tối đa: 10kg - Miền làm việc của các khớp: Khớp xoay 1: ±165 độ Khớp xoay 2: ±143 độ Khâu tịnh tiến 3: 300mm - Dưới đây là các thông số kích thước cụ thể: Page 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Mặt cắt ngang tính toán như hình vẽ Hình 3.19 Mặt cắt ngang khâu 1 Hình 3.20 Sơ đồ lực trên khâu 1 Thiết kế, tính toán: Dữ liệu đã biết: Động cơ khâu 2 đặt ở giữa khâu 1 m dc2 = 1,3kg Khối lượng khâu 2 + khâu 3 + động cơ khâu 3 Momen tổng của P3 và khâu 2 tác dụng: Momen uốn lớn nhất: Page 41 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng (N.mm) Trong đó: Ứng suất uốn lớn nhất: Với , a =15mm, b = 50mm => => Thỏa mãn bền Thiết kế khâu 1 dài về 2 phía them 30 mm để khoét lỗ trục => 3.3.2 Tính toán lựa chọn kết cấu trục số 1 a) Chọn vật liệu Chọn vật liệu chế tạo trục là thép C45 thường hóa hoặc tôi cải thiện Có 600MPa, ứng suất xoắn cho phép [τ ] = σb = 30MPa, ứng suất cho phép [σ]=63Mpa b) Tính toán lựa chọn đường kính trục Gọi đường kính trục số 1 là d Đường kính của trục 1 được tính theo chỉ tiêu là độ bền xoắn và bền uốn Các thông số đầu vào: - Khối lượng của tải m= 22,4 kg - Vận tốc góc lớn nhất - gia tốc góc lớn nhấn Gia tốc hướng tâm Gia tốc tiếp tuyến an = ω 2 r at = ε r Page 42 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ - GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Khoảng cách từ trọng tâm tới trục quay r = 194mm Lực quán tính li tâm lớn nhất Flt = man = 267N Mô men xoắn TMax = matr =24,5 Nm Xác định đường kính trục sơ bộ: d1 ≥ 3 Tmax 0.2 × [τ ] = 13,91 mm (1) Sơ đồ tác dụng lực: 89 Hình 3.21 Sơ đồ lực và biểu đồ momen lực tác dụng lên trục số 1 Từ biểu đồ momen trên ta tính được momen uốn lớn nhất: MXmax= Pl/2 + Flt a/2 =33609Nmm Tính chính xác đường kính trục d1: Page 43 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ d1 ≥ 3 GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng M td 0.1[σ ] Với Mtd = Trong đó: α= 0,75 L l=r = 194mm Mxmax=33609mm: Mô men uốn [σ]= 58 tra bảng 10.5 giáo trình TTTKHDĐCK Mz= Tmax= 24500Nmm : mô men xoắn => Mtd = 38304 Nmm => d1 19 mm ta chọn các kích thước đường kính trục số 2 là d1=30mm, d= 15mm - M x2max + αM z2 c) Tính chọn then cho trục số 1: Chọn giống khâu 2 d) Tính chọn ổ bi đỡ chặn cho trục số 1: Chọn giống khâu 2 vòng bi có đường kính trong d = 30 mm 3.3.3 Tính chọn động cơ khâu 1: Với: m1=3,2 kg thay vào công thức tương tự như khâu 2 ta có T1 = 27,8Nm Lựa chọn động cơ Các thông số đã biết: Wdc2 = 227W vận tốc góc của khâu 2 là 75 v/p, ta chọn tỷ số truyền là 1:2 =>tốc độ quay của động cơ cần chọn là 150 v/p => Ta chọn động cơ có tốc độ quay trong miền làm việc ổn định từ 100 – 300v/p Từ các số liệu trong Hình 3.17, ta lựa chọn động cơ của hãng PNASONIC có số hiệu: MSMD042P42N - Công suất P = 400 W - Tốc độ trong miền thiết kế sau khi đi qua hộp giảm tốc của động cơ với tỷ số truyền 1/9 còn lại là: n 222 v/p Page 44 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng - Khối lượng của động cơ là 1,3kg - Kích thước hình học là 60x60x80 mm Tính chọn bộ truyền động đai răng Tương tự như khâu 2 ta chọn: 3.3.4 Modun: m = 3 mm Chiều rộng đai: b = 20 mm Chiều rộng bánh đai: B = 23 mm Số răng: Z1 = 14 => Z2 = 28 răng Đường kính bánh đai: d1 = m.z1 = 42 mm , d2 = m.z2 = 84 mm Khoảng cách trục: a = 90 mm Đường kính ngoài của bánh đai: Góc ôm đai: = 153,15 độ Số răng đồng thời ăn khớp trên bánh chủ động: => thỏa mãn điều kiện 3.4 Tính toán thiết kế thân Robot – Khâu đế Mô hình thân robot dạng trụ tròn rỗng Page 45 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Hình 3.22 Mặt cắt thân Robot Lựa chọn vật liệu: Gang xám GX12-28 (Khối lượng riêng: ) Hình 3.22 Sơ đồ tính toán tải trọng khâu 1 Tính toán, thiết kế: Dữ liệu đã biết: Chiều cao: Page 46 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Động cơ khâu 1 bố trí ở giữa khâu 0 như hình vẽ Khối lượng tác dụng dọc trục: Momen uốn: Ứng suất uốn: , Ứng suất nén: [] , Chọn m0 = 2,8 kg => => Thỏa mãn điều kiện bền Page 47 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D TRÊN PHẦN MỀM AUTODESK INVENTOR 4.1 Giới thiệu sơ lược phần mềm Autodesk Inventor Autodesk Inventor được phát triển bởi công ty phần mềm Autodesk_USA, là phần mềm thiết kế mô hình 3D phổ biến hiện nay Đây là phần mềm được phát triển chuyên cho thiết kế các sản phẩm cơ khí, có giao diện trực quan, giúp người dùng thuận tiện khi sử dụng Những tính năng nổi trội của Inventor: – Xây dựng dễ dàng mô hình 3D của chi tiết (Part) – Thiết lập các bản 2D từ mô hình 3D nhanh chóng và chuẩn xác (Drawing) – Tạo bản vẽ lắp từ các chi tiết đã thiết kế một cách tối ưu (Assembly) – Mô phỏng quá trình tháo lắp các chi tiết từ bản vẽ lắp hoàn chỉnh một cách trực quan và sinh động (Presentation) – Thiết kế nhanh các chi tiết kim loại dạng tấm (Sheet metal) – Thiết kế các chi tiết máy như: Trục, bộ truyền bánh răng, bộ truyền đai, bộ truyền xích, mối ghép bulông-đai ốc, cam, chốt, then, ổ bi, lò xo … một cách nhanh chóng trong môi trường Assembly – Thiết kế nhanh và chính xác các loại khuôn mẫu (Mold Design) – Thiết kế nhanh các đường ống phức tạp (Pipe&Tupe) – Cho phép sử dụng thư viện các loại dây điện, cáp điện để chạy dây với bán kính uốn phù hợp trong thiết kế điện (Cable &Wiring): – Mô phỏng động và động lực học của cơ cấu máy (Dynamic simulation) – Phân tích ứng suất, tối ưu hóa thiết kế sản phẩm (Analysis Stress and Optimize) Page 48 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng – Thiết kế nhanh các sản phẩm nhựa (Inventor plastic & tooling) – Có thư viện chi tiết đa dạng và chuẩn hóa (Content center) – Liên kết được với nhiều phần mềm CAD khác 4.2 Mô hình 3D Scara Robot 3 bậc tự do trên Inventor 4.2.1 Cụm khâu đế 4.2.2 Cụm khâu 1 Page 49 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 4.2.3 GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Cụm khâu 2 Page 50 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 4.2.4 Cụm giá đỡ trục vít me 4.2.5 Cụm trục dẫn hướng GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Page 51 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 4.2.6 GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Mô hình Scara Robot hoàn chỉnh Page 52 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Đây là một đề tài mang tính thực tế cao, khi mà công nghiệp ngày càng phát triển sự cạnh tranh không ngừng đòi hỏi năng suất và chất lượng phải được cải thiện nhờ dây chuyền máy móc hiện đại thay thế lao động chân tay của con người Như vậy trong đồ án môn học chúng em đã được tìm hiểu được cách xây dựng một mô hình robot SCARA, từ thiết kế kết cấu đến lập trình điều khiển hoạt động Công việc hoàn thành bao gồm như sau: - Tổng quan về ngành công nghiệp robot Xây dựng kết cấu cho robot Dựng mô hình 3D bằng Solidworks, Inventor Tính toán ổ, trục Chọn bộ truyền, động cơ, chọn trục Cách bố trí ổ bi và trục Qua đề tài trên đây chúng em đã biết cách vận dụng những kiến thức chuyên môn được đào tạo ở trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong thời gian qua vào với thực tế cuộc sống nhất là với công nghiệp Không chỉ vậy qua đồ án này chúng em cũng học được rất nhiều như kĩ năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, tìm tài liệu, viết báo cáo rất có ích cho sau này Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của cô Nguyễn Thị Thu cùng các thầy cô trong bộ môn Gia công Áp lực đã giúp em hoàn thành đề tài này Do giới hạn về thời gian cũng như kiến thức trong đồ án này, chúng em mới chỉ giải quyết một số vấn đề cơ bản trong việc thiết kế một robot ngoài ra còn rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết để có một sản phẩm robot hoàn thiện vì vậy chúng em rất mong quý thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài này hoàn thiện hơn nữa Chúng em xin chân thành cảm ơn! Page 53 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách giáo trình, bài giảng: 1 2 3 4 5 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam Nguyễn Trọng Hiệp Chi tiết máy Nhà xuất bản giáo dục, 2006 Phí Văn Hào, Lê Gia Bảo, Phạm Văn Nghệ, Lê Trung Kiên.Tự động hóa quá trình dập tạo hình Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 2006 PGS Phan Bùi Khôi Slide bài giảng Robotics GS TSKH Nguyễn Văn Khang, TS Chu Anh Mỹ Giáo trình Cơ sở robot công ngiệp Tài liệu khác: 1 2 3 4 http://baoanjsc.com.vn/TaiLieu/Giac%20hut%20chan%20khong%20dung %20cho%20tai%20nang%20SMC%20dong%20ZPT-catalog %2025042015090233.pdf http://www.tstvietnam.vn/Tai-lieu-ky-thuat/85/95/So-tay-tra-cuu-san-phamSKF.html http://www.omc-stepperonline.com/ http://autonics.com.vn/products/products_detail.php? catecode=03/01/04&db_uid=2164 Page 54 ... dụng phần mềm SolidWords để thiết kế sơ mơ hình khâu kết cấu Robot 2 .3 Page 11 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Hình 2.1: Mơ hình robot scara Khâu (khâu đế): Khâu... điều kiện 3. 4 Tính tốn thiết kế thân Robot – Khâu đế Mơ hình thân robot dạng trụ trịn rỗng Page 45 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ GVHD: TS Nguyễn Thành Hùng Hình 3. 22 Mặt cắt thân Robot Lựa chọn... ROBOT 2.1 Các thành phần kết cấu Robot Các khâu Tay robot có bậc tự do, thiết kế khí dạng khớp xoay, khớp tịnh tiến Thân robot: Là khâu cố định,đặt thẳng đứng giữ robot cố định làm việc, gắn