Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dùng trong robot công nghiệp

MỤC LỤC

I. Tổng quan về robot công nghiệp
1. Khái niệm về robot
2. Lịch sử phát triển của robot
3. Cấu trúc cơ bản của robot
4. Phân loại robot công nghiệp
5. Kết cấu của robot
6. Ứng dụng của robot cơng nghiệp
II.Phân tích thông số kỹ thuật của robot
1. Kết cấu của robot
2. Nguyên lí hoạt động
3. Chọn modun để thiết kế robot
III. Tính tốn và thiết kế
1. Tính tốn động cơ điều khiển mơ đun
2. Tính tốn bộ truyền động
2.1. Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dùng trong robot công nghiệp
2.2. Thiết kế bộ dẫn động cho khâu 2
2.2.1. Chọn động cơ
2.2.2. Thiết kế bộ giảm tốc
2.2.3. Tính tốn thiết kế khớp nối và trục
2.2.4. Tính chọn ổ bi

1

download by :


I. Tổng quan về robot công nghiệp.
1. Khái niệm về robot.
Rơbot là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều

khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ khí,
nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử.
Robot cơng nghiệp là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại
để hồn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp,
như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác.
Robot công nghiệp là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa
hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình,
có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản
xuất.
2. Lịch sử phát triển của robot.

Trên thế giới
-Vào năm 1921 Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là
cơng việc tạp dịch trong một vở kịch.
-Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên.
-Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran.
-Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR.
-Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR, năm 1970,
Robot đã được chú ý nhiều hơn và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp...
2

download by :


-Nhất là vào những năm 1990 số lượng Robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng
vượt bậc.
-Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 cơng ty sản xuất IR. Trong đó Mỹ và Nhật
chiếm đa số.
Tại Việt Nam
Nghiên cứu phát triển Robot cơng nghiệp đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa

qua các nghiên động lực học Robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học
và các viện nghiên cứu quan tâm với nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế.
Trình độ phát triển của robot ngày nay
Robot ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ và một thành phần không thể thiếu trong các
cuộc cách mạng công nghiệp trên toàn thế giới. Hiện nay robot được phát triển đến mức có
thể thay thế nhiều cơng việc do con người địi hỏi tính linh động và thay thế được hầu hết
các cơng việc của con người, chúng có thể tự giao tiếp với con người bằng trí tuệ nhân tọa
như robot Sophia.
3. Cấu trúc cơ bản của robot.

Về mặt kết cấu, robot được chế tạo rất khác biệt nhau, nhưng chúng được xây dựng từ các
thành phần cơ bản như nhau :
(1) Tay máy
(2) Nguồn cung cấp
(3) Bộ điều khiển
(4) Hệ thống cảm biến

3

download by :


- Tay máy : là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các

chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay để trực tiếp hoàn thành
các thao tác trên đối tượnphần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay
còn gọi là các trục. Tay máy có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot cơng nghiệp thơng
thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các
khớp động. Khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp
hoặc được gắn dụng cụ công tác.

-Trung tâm của bộ điều khiển là CPU chịu trách nhiệm quản lý thông tin về bộ nhớ, quản
lý xuất nhập, xử lý thơng tin, tính tốn và điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển cho
bộ phận chuyển đổi tín hiệu. Ứng dụng CPU vào trong bộ điều khiển rất khác nhau đối với
từng nhà sản xuất
-Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các
cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng.
- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các
robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot
và các sensor ngồi để nhận biết trạng thái của mơi trường.
4. Phân loại robot công nghiệp

Phân loại theo kết cấu :
4

download by :


Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot thành các loại: đề các, trụ, cầu,
SCARA, kiểu tay người và các dạng khác nữa (xem các hình từ 1.4 đến hình 1.9)

Phân loại theo điều khiển :
Có 2 kiểu điều khiển robot: điểu khiển hở và điều khiển kín.
Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,… )
mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu điều khiển này
đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín
hiệu phản hồi vị trí để tãng độ chính xác điều khiển.
Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm – điểm và điều khiển theo đường (contour).
5

download by :

Với kiểu điều khiển điểm – điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia
theo đường thẳng với tốc độ cao (khơng làm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu
điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,…
Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ
có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điểu khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun
sơn.
Phân loại theo ứng dụng :

6

download by :


Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot. Ví dụ, có robot cơng nghiệp, robot dùng
trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự,…

5. Kết cấu của robot
7

download by :


-Bậc tự do của tay máy :Thông thường các tay máy có trên một bậc tự do. Số bậc tự do
hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong khơng
gian hoạt động. Trong lĩnh vực robot học (robotic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển
động (có thể là chuyển động thẳng; dọc theo hoặc song song với một trục, hoặc chuyển
động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó là một toạ độ suy rộng dùng để xác
định vị trí của trục trong khơng gian hoạt động. Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác

động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng. Thông qua các khảo sát
thực tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt của tay máy sử dụng trong công
nghiệp, các tay máy phải có số bậc chuyển động cao. Tuy nhiên, số bậc chuyển động này
khơng nên q 6. Lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý, sẽ đủ để tạo ra
khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng
thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của nó) theo mọi hướng. Ngồi ra, số bậc
tự do nhiều hơn sáu sẽ khơng kinh tế và khó điều khiển hơn được kể khi tính bậc chuyển
động bởi vì chuyển động này khơng ảnh hưởng đến vị trí, toạ độ của tay máy.
-Hệ tọa độ của robot: mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các
khớp tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ gắn
với khâu cơ bản đó được gọi là hệ tọa độ cơ bản, các hệ tọa độ gắn với các khâu động gọi
là hệ tọa độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu
hình của robot bằng cách chuyển dịch dài hoặc chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến
hoặc khớp quay. Hệ tọa độ suy rộng còn gọi là hệ tọa độ biến khớp.
-Trường làm việc của robot: là toàn bộ thể tích quét được bởi khâu chấp hành cuối khi
robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trường cơng tác bị ràng buộc bởi các thơng
số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp
6. Ứng dụng của robot công nghiệp
Công nghệ robot đang được ứng dụng vào mọi lĩnh vực đời sống, xã hội, mang lại nhiều
thay đổi mạnh mẽ cho nền kinh tế. Để ứng dụng hiệu quả công nghệ rô-bốt, bắt nhịp được
với cuộc cách mạng công nghiệp (CMCN) 4.0, các doanh nghiệp Việt Nam cần có chiến
lược rõ ràng để mang lại hiệu quả trong sản xuất.
Trong CMCN 4.0 việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào sản xuất, kinh doanh là một
xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suất lao động cao. Trên thế giới đã có nhiều nhà máy sử
dụng tồn bộ hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa, đưa rơ-bốt vào thay thế sức lao động
của con người, tạo ra các sản phẩm tốt, độ chính xác cao. Trong khi đó, tại Việt Nam hầu hết
dây chuyền sản xuất vẫn chưa được tự động hóa, sử dụng cơng nghệ cũ, chỉ đưa công nghệ
thông tin và điều khiển, tự động hóa vào một số cơng đoạn ở mức độ đơn giản. Vì vậy sản
phẩm của doanh nghiệp Việt Nam khó cạnh tranh được với thế giới do chất lượng kém hơn,
không đồng bộ, giá thành cao và chỉ một số ít thay đổi mới nhận được những kết quả bước

8

download by :


đầu. TS Hồng Việt Hồng, Phó Tổng Giám đốc Cơng ty cổ phần Viện máy và dụng cụ công
nghiệp cho biết, đơn vị đã nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành cơng hệ thống máy đóng bao tự
động cho Cơng ty Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao, nhờ đó giúp giảm lượng nhân cơng
đáng kể, và năng suất cao hơn nhiều lần. Công nghệ này đã thay thế cho hoạt động của các
cơng nhân đóng bao bằng tay giúp tăng mỹ quan sản phẩm, giảm lượng bụi phát tán ra mơi
trường ở vị trí kẹp bao, gấp bao làm ảnh hưởng trực tiếp sức khỏe người lao động.
AI. Phân tích thơng số kỹ thuật của robot.

1. Kết cấu của robot.

Robot gồm 4 khâu và 3 khớp:
Khâu 0 cố định.
Khâu 1 quay quanh trục thẳng đứng.
Khâu 2 quay quanh trục nằm ngang vng góc với mặt phẳng chứa khâu
1. Khâu 3 quay quanh trục nằm ngang vng góc với mặt phẳng chứa
khâu 1. 3 khớp quay và khơng có khớp nào tịnh tiến.
Cấu trúc động học của tay máy có các thơng số động học được chọn như trong bảng 2.1:
9

download by :


Bảng 2.1:

d

1

a1
a2
Số bậc tự do của robot:
Bậc tự do của robot đặc trưng cho khả năng làm việc tự do của robot.
Được tính thơng qua cơng thức:
3
f

i

f

c

f

p

f = ( n – k) + i 1
Trong đó:
f : Là bậc tự do của cơ cấu
:Là bậc tự do không gian mà tay máy thực hiện chuyển
động n:Là số khớp động của robot
k : Là số khớp của cơ cấu trùng

f
i

: Là số bậc tự do của khớp thứ i

c

: Là số ràng buộc trùng

f
fp

: Là số bậc tự do thừa
Từ đó ta tính được bậc tự do của robot là: f = 6.(3 – 3) + 3 + 0 + 0 = 3
2. Nguyên lý hoạt động của robot.
Bảng Denavit – Hartenberg:

ai
0

a
1

a
2

Ta có các ma trận biến đổi DH giữa các hệ trục tọa độ:
a

0

2

C

1

C

2

]

a2 S1 C2

A1=

d 1 + a2 S2

1

10

download by :

i

90°

0
0

CC

−C S

1

23

1

1

23

SC

0

A3=

23

S

23

0

Với:

[

Ci = cos(q

C23= cos(q2+q3); S23= sin(q2+q3);
Mặt khác, ta lại mơ tả được hướng và vị trí qua ma trận sau thông qua vecto:
0

A3(p)=

[

sin(α ) sin( β) cos (η)+cos (α ) sin( η) −sin (α )sin ( β) sin (η)+cos(α )cos( η )
−cos (α )sin( β )cos (η) +sin (α) sin( η) cos (α )sin (β )sin (η)+sin( α ) cos( η)
So sánh hai ma trận 0A3(p), 0A3(q) ta thiết lập được hệ phương trình động học sau:
f 1= A30
f 2= A30
f 3= A30
f 4= A03( p)[
5

f

3

=A0

(

{

f 6 = A30

x C a C a C 0
E− 1( 3 23 + 2 2 )=
y E−S1( a3 C23 + a2 C2)=0
zE −(d1 +a2 S2 +a3 S23)
cos( α)cos (η)− C1 C23

−sin (α) sin( β)sin ( η)−S

{

cos (α )cos ( β)=01

Ngun lí hoạt động:
Thơng qua việc truyền chuyển động quay cho các khớp O 0, O1, O2 cụ thể là phối hợp các
chuyển động của các góc q1, q2, q3 ta có thể điều khiển điểm tác động cuối E đến vị trí mong
muốn. Vị trí của E phụ thuộc vào q1, q2, q3 được mơ tả thơng qua hệ phương trình (I).
11

p


download by :


3. Chọn mô đun chuyển động của robot để thiết kế:
Chiều dài các khâu 1, 2, 3 lần lượt là 57, 50 , 42 (cm)
Quỹ đạo của điểm tác động cuối là đường thẳng.

Robot cần nâng một vật có trọng lượng 5kg.
Khối lượng của các khâu 1, 2, 3 lần lượt là 20, 15, 10 (kg)
Chọn khâu 2 để thiết kế.
Các thơng số câu 2:

III. Tính tốn và thiết kế.
1. Tính tốn động cơ điều khiển mơ đun:
Các dữ liệu đề bài:

download by :


MX
MY
MZ

Thay số vào bảng D-H ta được:

Joint
1
2
3
Ta có ma trận D-H:
0

A1=

C

1

S

1

[
C1C2
0

A2=

0
0

S1
−C1
0

C
0

0
0

S

A3=

1

− C1
0

C

S
0


Xét khâu 3:

r3c3=[−0.21,0,0 ]

{

T

r 33=[−0.42,0,0 ]

T

=>

Và 0P3=[0, 0, -100]τ
13


Thay vào công thức:

{

℉ =℉ −° P
32

E3

°M

32=° M
Ta được:

E

3

3 +° r

3
2

℉32 −°r

3
c 3

° P3

[

{

°M

32

=

−42cos ( q1 )co s (q2)cos (q3 )+ 42 cos (q1 ) sin (q2) si n (q3 )

Moment

sinh ra bởi động cơ:

2

0

M32= -R2
¿
42 ¿
¿
Xét khâu 2:

r=[−0.25,0,0 ]τ

{r=[−0.5,0,0 ]

τ

{

°M

Thay vào công thức:
℉ =℉ −° P
21

21=° M

32

32 +°r

2

2

℉21 −° rc2 ° P2

Ta được:

14


download by :


{[
°

M =
21

0

[ ]

℉ =
21

42sin q

( 1)

cos q

(

2

cos q

)

(

0

300

3

)

−42cos ( q1 )cos (q2 )cos (q3

−42 sin( q1)sin( q2 ) sin(q3 )+112,5 sin (q1) co s(q2 )

] )+42

cos( q1) sin(q2 )sin ( q3 )−112,5 co s (q1) co s (q2)

0

Momen sinh ra bởi động cơ:

1

M21= -0R1-1.0M21=

=>1M21 = - 42cos(q2+q3)Xét khâu 1:

r=[ 0 ;−0,285 ; 0 ]τ

{r =[ 0 ;−0,57 ; 0]

τ

Thay vào công thức:

{

℉ =℉ −° P
10

21

1

° M 10=° M
Ta được:

21 +° r1 ℉10 −° rc 1 ° P1

{[

℉=

10

42sin (q1)

cos (q2 )cos (q3 )

°

M

21=

[]

−42cos ( q1 )

cos (q2 )cos (q3

0

0

500

−42 sin( q1)sin( q2 ) sin(q3 )
+112,5 sin (q1) co s(q2 )

] )+42

cos( q1) sin(q2 )sin ( q3 )−112,5
co s (q1) co s (q2)

0

2. Tính tốn bộ truyền động.
2.1. Giới thiệu một số hệ dẫn động hay dung trong cơng
nghiệp.
Có rất nhiều loại hộp giảm tốc được sử dụng trong thiết kế
robot công nghiệp, phụ thuộc vào yêu cầu kĩ thuật, mục đích
ứng dụng của robot ta có thể chọn được một hộp giảm tốc
phù hợp. Dưới đây là các hộp giảm tốc thông dụng trong

thiết kế robot và đặc điểm ứng dụng cơ bản của chúng.
a) Hộp giảm tốc bánh răng trụ.
15


download
by :
skknchat@
gmail.com


Hộp giảm tốc bánh rang trụ có hiệu suất truyền khơng cao, có tỉ số kích thước trên tỉ số truyền
lớn, độ chính xác khơng cao, tỉ số truyền thấp, trong các robot yêu cầu kết cấu nhỏ, độ chính
xác cao thường không được sử dụng. Tuy nhiên với các yêu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, giá
thành rẻ và phổ biến trên thị trường có khả năng làm việc với phạm vi vận tốc và tải trọng rộng
nên bộ truyền bánh răng trụ vẫn được sử dụng phổ biến cho các tay máy công nghiệp.

b) Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh.
Bộ truyền hành tinh bao gồm các bánh răng trung tâm, cần mang trục, các bánh vệ tinh. Bộ
truyền hành tinh có các yêu điểm như kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, độ chính xác cao, hiệu suất cao,
qn tính nhỏ, tùy vào kết cấu mà có dải tỷ số truyền từ một đến hang trăm lần.

c) Bộ truyền bánh răng song song
Bộ truyền bánh răng song song có nhiều ưu điểm như độ chính xác cơ khí lặp lại cao momen xoắn truyền
lớn, hệ số giảm tốc cao từ 50 : 1 cho tới 320 : 1, kết cấu đồng trục. Loại bộ truyền này có kết cấu phức
tạp, khó chế tạo nên giá thành cao tuy nhiên vẫn được ứng dụng rộng rãi cho robot.

16

download by :

2.2.

Thiết kế bộ dẫn động cho khâu 2.

Vì cơng suất không quá lớn và tốc độ quay không cao, ta chọn bộ truyền bánh rang trụ rang
thẳng dẫn động cho khớp quay khâu 2 của robot.
2.2.1. Chọn động cơ
a) Thông số đầu vào
Từ kết quả tính tốn tĩnh học robot ta có:

Khâu 2 có momen quay là:
M
cos( q )
2
Tìm max của |
1 cos q2 q3 1 1 cos

2

M 42 cos( q q ) 112, 5
2

2

3

|

q2 1

=> 154,5 42 cos q 2 q 3 112, 5cos q 2 154, 5 M 2
154,5 N .m

Chọn tốc độ quay đầu của bộ giảm tốc:

n
2

= 30 (vịng/phút) = (rad/s)

b) Tính tốn động học

Cơng suất cần thiết đầu ra trên hộp giảm tốc:
P
lv

M 2 n2

0, 49(kW )

9549

Chọn:

0,96

Hiệu suất của bộ truyền bánh răng trụ: br
( được che kín)

Hiệu suất của bộ truyền ổ lăn: ol =0,99 ( được che kín)
17

download by :


Hiệu suất của khớp nối:

=1

kn

Ta có một cặp bánh răng ăn khớp, hai cặp ổ lăn, một khớp nối.Hiệu suất chung của bộ truyền là:

.2 .
Pct

Công suất cần thiết của bộ động cơ:

0,94

lv

0,52(kW )

Chọn sơ bộ tỉ số truyền u = 4.
Tốc độ quay sơ bộ của động cơ: ndc = n2.u = 120 ( vịng/phút )
c) Cơng suất trên các trục
Công suất trên trục làm việc: Plv = 0,49 (kW)
P

lv

Công suất trên trục II: PII = ol
P

II

Công suất trên trục I:

PI

.
ol

br

P
dc

Công suất trên trục động cơ:
d) Tốc độ quay trên các trục

Tốc độ quay trên trục động cơ:
Tốc độ quay trên trục I:

n

n

Tốc độ quay trên trục II:
Tốc độ quay trên trục làm việc:

Trên trục động cơ:
T
II

Trên trục II:
TI

Trên trục I:

120
dc

I

nII

e) Momem trên các trục:

n

120

dc

nI

(vòng/phút)

(vòng/phút)

30
(vòng/phút)

u

n
lv

n

30
II

(vòng/phút)

P 0,49


download by :


T
lv

Trên trục làm việc:
Bảng tổng kết phần động học:

Tỉ số truyền

Cơng suất (kW)
Số vịng
quay(vịng/phút)
Momen xoắn (N.mm)

f) Chọn động cơ:

Theo catalog của hãng delta:

Ta chọn động cơ ECMA-E1310RS
19

download by :


Rated output power (kW)
Rated torque (N.m)
Maximum torque (N.m)
Rate speed (r/min)
Maximum speed (r/min)
Rate voltage (V)
Rated current (A)
2.2.2. Thiết kế bộ giảm tốc.
a) Chọn vật liệu:
Vì hộp giảm tốc chọn cơng suất trung bình nên ta chỉ cần chọn vật liệu nhóm I ( HB 350).

20

download by :