Thiết kế cơ cấu kẹp cho robot công nghiệp dùng để vận chuyển các tấm phi kim loại có khối lượng m 3kg, trọng lượng cơ cấu mCC 3 kg.

Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

Đề bài:
Thiết kế cơ cấu kẹp cho robot công nghiệp dùng để vận chuyển các tấm
phi kim loại có khối lợng m 3kg, trọng lợng cơ cấu mCC 3 kg.
I) Phân tích và lựa chọn sơ đồ nguyên lý của tay kẹp cần thiết kế:
Hiện nay, tay kẹp dùng cho Robot rất đa dạng, phong phú về kết cấu cũng
nh nguồn động lực tạo ra chuyển động mở và kẹp nh có loại dùng động cơ servo,
động cơ bớc, có loại dùng khí nén, dùng thuỷ lực. Hơn thế, nó cũng rất đa dạng
về số khâu, số khớp cổ tay kẹp một khâu hoặc nhiều khâu.
ở đây yêu cầu đặt ra là thiết kế cơ cấu kẹp cho robot công nghiệp dùng để
vận chuyển các tấm phi kim loại gồm hai khâu để có thể kẹp đợc tấm phi kim
loại có trọng lợng m = 3 kg.
Trong điều kiện hiện nay giá thành của động cơ servo cũng nh động cơ bớc khá cao và không phổ biến vì vậy ở đây chúng em chọn nguồn động lực là
xylanh thuỷ lực.
Qua quá trình phân tích kết cấu cũng nh động lực học tay máy chúng em
quyết định lựa chọn kết cấu của tay gấp nh sơ đồ sau:










1: Xylanh
2: Pitton

3: trục pitton + thanh răng
4: Khâu 1
5: Khâu 2
6: Má kẹp
7: Lò xo




Giải thích kết cấu:
Thanh răng đợc gắn với trục pitton khi thanh răng chuyển động tịnh tiến
sẽ làm cho khấu 1 quay quanh trục O đợc cố định vào thân Robot. Nhờ hệ thống
dẫn động hợp lý sẽ dẫn động đến khâu 2 để đảm bảo 2 má kẹp luôn song song
với nhau ở bất kì vị trí nào trong khoảng công tác.
Nguyên lí hoạt động:
1


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

ở trạng thái bình thờng khi cha cấp dầu vào xi lanh 1 thì tay kẹp luôn
đóng nhờ có lực đẩy của lò xo 7 luôn chịu nén. Khi bơm dầu vào trong xylanh
thắng đợc lực đẩy của lò xo thì pittong đi xuống nhờ chuyển động tịnh tiến của
pitton nên thanh răng đi xuống làm cho khoá 2 quay quanh O tạo ra độ mở cần
thiết của tay kẹp. Khi dừng bơm dầu vào xylanh nhờ có lực đẩy của lò xo bị nén
làm cho tay kẹp chuyển động ngợc chiều lúc mở và thực hiện qua trình kẹp chi
tiết. Dầu trong xylanh đợc ép ra ngoài trở về thiết bị chứa dầu.
u điểm của tay kẹp:

+ Đơn giá trong kết cấu, chế tạo.
+ Chi tiết đợc kẹp bằng lực lò xo nén khi có sự cố về nguồn động lực thì
tay kẹp vẫn kẹp chặt chi tiết.
II) Chọn má kẹp:
Để kẹp chi tiết dạng tấm phi kim loại có trọng lợng m 3 kg. Nên ta chọn
má kẹp là 2 phiến tì có khía nhám.

Ta có: B = 14 mm
H = 8 mm
L = 60 mm
Trọng lợng phiến tỳ.
Vphiến tỳ = 6,2*10-6 m3

d = 5,5 mm

= 7,8*103 kg/m3
Gphiến tỳ = Vphiến tỳ* = 0,0484 kg
khoảng cách giữa hai mép phiến tỳ khi kẹp tấm phi kim loại là bề dày
của tấm phi kim loại.

2


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

III) Lập các phơng trình giàng buộc kết cấu và chọn một số kích th ớc để đảm
bảo kích thớc của tay gắp có kích thớc và kết cấu hợp lý:

l





1- Tại vị trí cơ cấu kẹp tấm phi kim loại mở cực đại. Vị trí đó nh ở hình 1
thanh l1 ở vị trí ngang.
Để tay gắp đi xuống kẹp tấm phi kim loại thì khoảng cách giữa hai tấm
phiến tỳ ta chọn A = 40 mm để tránh va chạm khi tay robot đa vào kẹp tấm.
Phơng trình theo phơng ngang:
a + Do
+ l = 20 + H + l * cos
1
2
2
a + Do
+ l1 28 = l 2 * cos (III.1)
2
Phơng trình theo phơng đứng
L
+ h ct + h d ư + h at = l 2 * sin
2
Chọn hat = hd = (mm)
L
+ h ct + h d ư + 10 = l 2 * sin (III.2)
2
2- Tại vị trí cơ cấu kẹp không làm việc
Phơng trình theo phơng ngang:
a + Do

H + l 2 * cos =
+ l1 * sin
2
hoặc
3


Tự động hoá quá trình sản xuất
l1 l1*cos = 20

Phan Đăng Quang CTM3

(III.3)

3- Liên hệ giữa hct với Do và :
DO
2
Thay vào (III.2) và thay L = 60 mm ta đợc:
D
* o + 40 = l 2 * sin (III.4)
2
Từ (III.1), (III.3) và (III.4) ta có hệ phơng trình:
h ct = *

a + Do
+ l1 28 = l2 * cos
2
l1 * (1 cos ) = 20

*

(III*)

Do
+ 40 = l2 * sin
2

Hệ (III*) có 6 ẩn mà 3 phơng trình liên hệ:
Ta chọn trớc l1 = 45 mm
a = 12 mm
Do = 20 mm
Thay vào ta tính đợc các thông số sau:
= 56015
W

= 5404 chọn = 540
IV) Lực kẹp cần thiết W:
W=N

N
Fms

(IV.1)

Giả sử trọng lợng vật cần nâng G.
Điều kiện nâng vật:
2*Fms G

N

2*N*f G
2*N*f = K*G
K: Hệ số an toàn
K*G
N=
2*f
Từ (IV.1) và (IV.2) ta có:

G

N

(IV.2)

4


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

K*G
2*f
Chọn hệ số an toàn K = 2
Hệ số ma sát f của chi tiết và phiến tỳ có khía nhám f = 0,25 trọng lợng
vật nặng G = 3 kg = 30 N
W=

2 * 30

W = 2 * 0,25 = 120 (N)
V) Tính và chọn lò xo trong xy lanh thuỷ lực:
ở đây ta sử dụng lò xo để làm áp lực kẹp để đảm bảo an toàn khi xylanh
thuỷ lực bị hỏng hay các cơ cấu gắn với xylanh bị hỏng. Vì vậy ta phải tính và
chọn lò xo.
Để đảm bảo đủ lực kẹp cần thiết ta phải tính cho trờng hợp cơ cấu kẹp tấm
phi kim loại có bề dày 2 min. Vì khi bề dày 2 lớn thì lò xo càng bị nén lực
đẩy càng lớn lực kẹp càng lớn mà ở đây Gct = const.
Xét vị trí cơ cấu kẹp khi kẹp chi tiết có bề dày 2 min.
Ta có:
a + D0
+ l1 * cos 1 = l2*cos + H + min
2
min = 45*cos1 25


1

Lực kẹp W = 200 N để đảm bảo chi tiết không bị biến dạng do lực kẹp do
vậy ta chọn bề dày min cảu tấm phi kim loại là:
5


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

2*min = 3 (mm) min = 1,5 (mm)
Vậy góc 1 tại vị trí min là 1 = 53055
Đặt lực lên sơ đồ ta có:
Viết phơng trình cân bằng momen tại O có:
Plx1 D o
*
P * [l 2 sin +l2*sin( - 1)] Gct*lv + Gi*li = 0 (V.1)
2
2
Coi ảnh hởng của các chi tiết kết cấu lên cơ cấu kẹp = 10% P1x
Ta có qua các trọng lợng Gi; lv rất nhỏ bỏ qua.
P'

D
lx1 * o P * [ l 2 sin +l2*sin( - 1)] = 0
2
2
Plx1 = 2184 N
Plx1 = Plx1 0,1*Plx1 = 0,9*Plx1 = 1965 N
Xét tại vị trí tay kẹp mở max
Khi đó lò xo bị nén thêm:
D
1
-3
* o = 94 mm = 94*10 m
2
180
Giả thiết chọn lực nén lúc đó là:
Plx2 = 1,3*Plx1 = 2555 N
Plmax = 2555 N
l1 =

Độ cứng của lò xo:
C=

Plx1 0,3 * 1965
=
= 6,3 * 10 4 [N/m]
-3
l1
9,4 * 10

VI) Tính các kích thớc còn lại của các chi tiết theo điều kiện bền:

1. Tính thanh OA và OB:
Trong phần này ta tính cho trờng hợp xấu nhất để kết cấu đủ bền. Trờng
hợp xấu nhất là khi kẹp tấm phi kim loại có max
a. Xác định các thông số trong trờng hợp này:


2









6










Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

Ta có
a + Do
+ l1*cos2 = l2*cos + H + max
2
max = 45*cos2 25
Độ mở lớn nhất của cơ cấu kẹp ta chọn là 40 mm chiều dày max của
tấm phi kim loại là:
2*max = 30 max = 15
Góc 2 tại vị trí max là 2 = 27015
l2 =

D
2
-3
* o = 4,76 mm = 94*10 m
2
180

Plx3 = c*l2 = 300 N
Plx3 = Plx2 Plx3 = 2255 N
Tính lực kẹp lúc này bỏ qua trọng lợng chi tiết đợc kẹp vì nó tạo momen
với O nhỏ do đó khoảng cách nhỏ và trọng lợng các thanh vì nó rất nhỏ so với
Plx3
D
Mo = P3**(l2sin + l1sin2) Plx3* o = 0
4
P
*D
lx3

p
P3 =
= 170 N
4*(l2sin +l1sin2)
b. Tính thanh AB:
Gphiến tỳ nhỏ bỏ qua





G

P3

b

l



Py = P3*sin + G*cos = 138 N
Pz = P3*cos + G*sin = 100 N
ứng suất tại điểm nguy hiểm A
max = u min + nen
7


P
Phany Đăng Quang CTM3

Tự động hoá quá trình sản xuất
=
=

12 * Py * l 2 * h
3

b*h *2
3 * Py * l 2 + Pz
2 * b3

+

Pz
b*h

[]

Qy

Chọn vật liệu thép C45 [] = 160 N/mm
3 * Py * l 2 + Pz
2 * b3

160

Py*l2

M

Py

2

Qx

(VI.1)

-

Px

b 4,2 mm
Kết luận để đảm bảo điều kiện bền thì kích thớc cần rất nhỏ vì vậy ta chọn
kết cấu của các thanh OA và AB lớn một chút sẽ đảm bảo điều kiện bền luôn.
Ta chọn b = 8 h = 14
Ta chọn b = 8 bởi khi thiết kế các thanh đợc tách thành hai, có dạng:
b=1

2. Tính toán bộ truyền động bánh răng thanh răng:
Trờng hợp chịu tải lớn nhất là khi tay kẹp ở vị trí mở cực đại vì khi đó lực
lò xo là max.
Mô men xoắn:
P
D
2555 * 20
= 12775 Nmm
T = lx 2 * o =
2

2
4
Tính bộ truyền ở đây chỉ cần đảm bảo độ bền uốn vì ở trờng hợp này tốc
độ chuyển động Tính modul theo công thức:
M 1,4* 3

T * K FP * FF
z 2 * d * [p ]

(VI.2)

Chọn vật liệu là thép 40x tôi cải thiện phần bánh răng làm việc:
Có F = 1400 (theo bảng 6.1 trang 92 TKHDĐ cơ khí tập 1)
[F] 0,8*ch = 1120 N/mm2
z số răng của bánh răng có đờng kính Do chọn z lớn để chuyển động chính
xác chọn z = 40 răng
20
= 0,5 (mm)
Do = m *z m =
40
8


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

Theo đồ thị 10_21 chi tiết máy tập 1
Với hệ số dịch chỉnh = 0 z = 40

= 3,7

Giả sử với d = 0,4 bố trí theo sơ đồ 6 vật liệu có HB < 350 Theo đồ thị
hình 10 14 KFP = 1,05
Phải xác định hệ số chiều rộng b =
d 1,43*

b
Do

T * K FP * YF
= 0,6
z 2 * m 3 * [F ]

Chọn d = 0,6 b = d*Do = 12 mm
Chia thành hai thanh ở hai đầu có răng b = b/2 = 6 mm
VII. Tính toán động học cơ cấu kẹp:
Điều kiện làm việc là ở mọi vị trí thì hai má kẹp song song với nhau theo
phơng đứng. Vì vậy đòi hỏi khi lắp ghép các chi tiết phải có độ chính xác cao.
Và khi tính toán động học phải có các mối liên hệ động học hợp lý.
Giả sử khi lắp ráp đã đảm bảo độ chính xác thì điều kiện động học để hai
má kẹp luôn song song ở mọi vị trí là khi OA quay một góc quanh tâm A.
Hay nói cách khác:
Tốc độ góc của OA quay quanh O là w1 = w thì
Tốc độ góc của AB quay quanh A là w2 = -w
Thì khi đó AB chuyển động tịnh tiến theo một đờng cong nào đó và đảm
bảo hai má kẹp luôn song song.
Vì vậy bài toán đặt ra là tìm một hệ dẫn động nào đó phù hợp để tạ ra mối
liên hệ giữa hai chuyển động quay đó.
Trong trờng hợp này ta chọn hệ dẫn động bánh răng hành tinh bởi u điểm

của hệ dẫn động bánh răng:
+ Đảm bảo ăn khớp đúng khi dịch chuyển khoảng cách tâm
+ Đảm bảo tỷ số truyền không thay đổi khi ăn khớp
+ Hiệu suất bộ truyền cao.

9


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3





Bánh răng d0 = 10 đợc gắn cứng vào trục tại O
Các bánh răng O1, O2, O3 có trục nằm trên OA bánh răng A chuyển động
quay trơn trên trục tại A và gắn cứng với AB khi bánh răng A quay thì AB quay
theo.
Với sơ đồ trên đã đảm bảo w1 = wOA ngợc chiều với w2 = wAB. Bây giờ phải
tìm các đờng kính để đảm bảo w1= w2
Phân tích cặp O O1 là cặp bánh răng hành tinh bánh răng O cố định và
bánh răng O1 lăn trên bánh răng O.
WOO1 = wOA = w1 = w
d01
d + d1
Ta có Vo1 = w* o
0
2

0'
d02
O là tâm vận tốc của bánh

răng O1 trong chuyển động hành
0
tinh.
0"
1

Giả sử có O là 1 điểm
thuộc bánh răng O1 có vị trí nh hình vẽ.
10


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

d o + d1
2
Ta chỉ cần tốc độ quay tơng đối của bánh răng O1 quanh tâm.
VO = 2*VO1 = 2*w*

w*

d o + d1
d + d1
2
=w* o

d O1
d O1
2

VO" VO1
=
d O1
2
Chọn do = 10 mm
dO1 = 15 mm
10 + 15
5
*w= *w
wro1 =
15
3
Ta phân tích và lựa chọn các đờng kính còn lại theo nh hình bên.
WRO1 =

5
3

80

125





VIII. Tính độ bền của bộ dẫn động từ OA AB:
Với bánh răng có dA = 7,5 mm nhỏ, yếu nhất do có mô men xoắn trên trục
lớn. Xét trờng hợp nguy hiểm nhất là trờng hợp cơ cấu kẹp kẹp chi tiết có chiều
dày 2max = 30.
Khi đó P3 = 170 N


ở đây ta chỉ cần xét d đảm
bảo điều kiện bền



T = P3*l2*sim
= 170*56,25*sin540
= 7736 Nmm

Chọn vật liệu là thép 40X có ch = 1400 Mpa
[F] = 0,8*ch = 1120 Mpa
Chọn tất cả các bánh răng trong bộ dẫn động có m = 0,5 mm
d
7,5
= 15 (răng)
ZA = A =
m 0,5
11


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

Theo đồ thị 10 21 chi tiết máy tập 1 với hệ số dịch chỉnh x = 0, z = 15
YF = 4,4
Giả sử bố trí theo sơ đồ 6 vật liệu có HB > 350
Theo đồ thị hình 10 14
KFP = 1,15
T * K FB * YF
d 1,43* 2
= 0,9
z * m 3 * [F]
d =

b
b = dA*d = 6,75
dA

Chọn b = 7 mm
Hệ dẫn động giữa hai trục O và O có một cặp chia đôi bề rộng
b
b = = 3,5 mm
2
IX, Tính toán hệ thống thuỷ lực:
Hệ thống thuỷ lực có nhiệm vụ tạo ra lực mở cơ cấu kẹp và thay đổi tốc độ
mở hoặc đóng tay kẹp trong cơ cấu tay kẹp này.
ở đây ta phải thiết kế xy lanh để đảm bảo tạo ra đủ lực kẹp cần thiết để
mở tay kẹp với một vận tốc V max cho trớc. Đồng thời phải thiết kế các cơ cấu nh
van tiết lu, van điều khiển, van an toàn để điều khiển đóng mở tay kẹp với vận
tốc tuỳ ý và khi áp suất quá [Pth] thì van an toàn sẽ mở để giảm áp.
Các van an toàn, cũng nh van tiết lu, van điều khiển không đặt trực tiếp
trên tay kẹp mà ta sẽ đặt ở vị trí khác sao cho khi ro bot thực hiện công việc một
cách linh hoạt.
1. Sơ đồ nguyên lý:
1- Xylanh
2- Van tiết lu đầu vào
3- Van điều khiển
4- Van tiết lu đầu ra
5- Bơm
6- Đồng hồ đo áp
7- Van an toàn
8- Thùng đầu.

12


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

Nguyên lý
ở vị trí bình thờng thì pitton luôn ở điểm chết trên bên phải, tay kẹp luôn
đóng, tức là con trợt trong van điều khiển nh hình vẽ. Khi có dòng điện chạy
trong cuộn nam châm điện của van điều khiển sẽ sinh ra lực từ kéo con trợt
chuyển động sang trái mở thông dầu qua van tiết lu 2 vào xylanh đẩy pitton sang
trái với tốc độ vm nào đó mà ta có thể điều chỉnh đợc nhờ van tiết lu 2. Khi pitton
sang trái thì độ lớn lò xo tăng dần sinh ra lực cản chống lại chiều pitton sang trái.
Khi lực lò xo đủ lớn để cân bằng với áp lực dầu lên pitton thì có khi đó pitton đã
tới điểm chết trái (ứng với tay kẹp mở cực đại) thì pitton đứng lại. Khi ngắt dòng
điện qua nam châm điện thì con trợt trong van điều khiển 3 về vị trí đầu lúc này
cửa áp suất vào đóng lại và mở cửa ra để dầu từ xylanh qua van tiết lu 4 trở về
thùng dầu 8 do lực đẩy của lò xo trong xylanh, lúc này tay kẹp đang thực hiện
quá trình đóng và kẹp chi tiết với vận tốc đóng v d nào đó (có thể điều chỉnh đợc
nhờ điều chỉnh van tiết lu 4). Đến một giai đoạn nào đó khi 2 má kẹp chạm vào
bề mặt chi tiết và lực kẹp dc tạo ra nhờ lực nén d của lò xo trong xylanh.
Trong trờng hợp có sự cố P vợt quá giới hạn nào đó thì van an toàn mở dầu
trở về thùng dầu 8.
2. Tính xylanh
Giả sử ta cần mở tay kẹp trong khoảng 1 giây
Theo ở phần trớc ta có:
Lực đẩy cần tạo PLxmax = 2555 N
Chiều dài hành trình công tác:
D
hct = * o = 9,82 mm
2
nh vậy ta có vận tốc trung bình
h ct
= 9,82

1
s
Vtb =
mm/s = 9,8*10-3 m/s
Mà chuyển động của pitton là chuyển động chậm dần đều do có Flx ngày
càng tăng giả sử đó là chuyển động đều vận tốc ban đầu phải đạt :
vo = 2*vtb = 19,6*10-3 m/s
Chọn trớc Dxh = 20 mm
Lu lợng của dầu:
D
Q = * xl *vo = 6,16*10-6 m3/s = 6,16*10-3 l/s
4
13


Tự động hoá quá trình sản xuất

Phan Đăng Quang CTM3

Ta có thể bỏ qua ma sát giữa pitton và thành xylanh bởi chúng rất nhỏ.
Ta có phơng trình cân bằng lực:
D 2o
4
4 * PLx max
áp suất P cần P =
= 8,1*106 N/m2 81 Dar
2
*D o
PLxmax = P**

Tính chiều dày thành xylanh theo điều kiện bền
Công thức tính:
10 5 * p * D Xl
=
[]
2*s
[] : ứng suất cho phép chọn ống thép có [] = 1,6*108 N/m3
s: chiều dày thành ống.
10 5 * p * D Xl 81 * 10 5 * 20 * 10 3
=
s
= 5,06*10-1 m 0,5 mm
5
2 * []
2 * 1,3 * 10
chiều dày thành cần rất nhỏ do thép có sức bền cao. Nhng để đẽ dàng lắp
ráp xylanh với tay gắp ta chọn hình dáng kết cấu nh sau để đẽ lắp ghép

DXl

3. Tính toán các loại van:
vì thời gian có hạn hơn nữa hiện tại chúng em cha có thể tính toán các
thiết bị này. Mà ở đây chỉ dừng ở sơ đồ nguyên lý các hệ thống thuỷ lực.
X. Tài liệu tham khảo:
1. Tự động hoá quá trình sản xuất NXB khoa học kỹ thuật
2. Hệ thống thuỷ lực, khí nén
3. ROBOTICS
4. Chi tiết máy tập 1
5. Sức bền vật liệu tập 1, 2
6. Nguyên lý máy

7. Sổ tay công nghệ chế tạo máytập 2 ./.

14