Thiết kế cơ cấu kẹp cho robot công nghiệp dùng để vận chuyển các tấm kim loại có kích thước L B L = 50050010

Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

Đề bài :
Thiết kế cơ cấu kẹp cho robot công nghiệp dùng để vận chuyển các tấm
kim loại có kích thớc L * B * L = 500*500*10
I.Tính trọng lợng của chi tiết:
Trọng lợng của chi tiết đợc tính theo công thức:
G = .V
Với + : Trọng lợng riêng của vật liệu, có = 7,8 (kg/dm3)
+ V: Thể tích của chi tiết, có V = 500*500*10 = 25.105 mm3
Trọng lợng của chi tiết: G = 7,8*2,5 = 19,5 (Kg)
II. 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 = 19,5 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 chọn nguồn động lực là xylanh
thuỷ lực.
Qua quá trình phân tích kết cấu cũng nh động lực học tay máy 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

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

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 giản 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.
III. Chọn má kẹp:
Để kẹp chi tiết dạng tấm phi kim loại có trọng lợng m = 19,5 kg. Nên ta
chọn má kẹp là 2 phiến tì có khía nhám.

Ta có: B = 40 mm
d = 11 mm
H = 25 mm
L = 140 mm
Trọng lợng phiến tỳ.
Vphiến tỳ = 140000 m m3 = 140.10-6 m3
= 7,8*103 kg/m3
Gphiến tỳ = Vphiến tỳ* = 1,092 kg
Khoảng cách giữa hai mép phiến tỳ khi kẹp tấm phi kim loại là bề dày của
tấm kim loại.
IV.Lập các phơng trình ràng buộc kết cấu và chọn một số kích thớc để đảm
bảo kích thớc của tay gắp có kích thớc và kết cấu hợp lý:
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
+ l1 = 40 + H + l2 .cos
2
a + Do
+ l1 65 = l2 .cos (III.1)
2
Phơng trình theo phơng đứng
2


Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

L
+ h ct + h d ư + h at = l 2 * sin
2
Chọn hat = hd = (mm) ( : Độ dày của chi tiết)
L
+ hct + 20 = l 2 . sin
2

(III.2)

2). Tại vị trí cơ cấu kẹp không làm việc
Phơng trình theo phơng ngang:
H + l 2 . cos =

hoặc
25 + l 2 . cos =

a + Do
+ l1 . cos
2

a + Do
+ l1 . cos (III.3)
2

l





3).Liên hệ giữa hct với Do :
DO
2
Thay vào (III.2) và thay L = B = 40 mm ta đợc:
h ct =

L
+ hct + 20 = l 2 . sin
2



Do

+ 40 = l 2 . sin
2

W

(III.4)

Từ (III.1), (III.3) và (III.4) ta có hệ phơng trình:
a + Do
+ l1 65 = l 2 . cos
2
a + Do
25 + l 2 . cos =
+ l1 . cos
2
Do
+ 40 = l 2 . sin
2

Hệ (III*) có 6 ẩn mà 3 phơng trình liên hệ:
Ta chọn trớc l1 = 100 mm l2 = 80 mm

N
Fms
N

G
N
3

Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

a = 10 mm
Do = 33 mm
Thay vào ta tính đợc các thông số sau:
= 350,
= 450.
V. Lực kẹp cần thiết W:
W = N (IV.1)
Giả sử trọng lợng vật cần nâng G.
Điều kiện nâng vật:
2.Fms G
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:

(IV.2)
W=

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 = 19,5 kg = 195 N
2.195

a + D0
+ l1 . cos 1 = l2.cos + H + min
2



1















W = 2.0,25 = 780 (N)
VI. 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 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 là không đổi.
Xét vị trí cơ cấu kẹp khi kẹp chi tiết có bề dày
2 min.

Ta có:






min = 100.cos1 60
Lực kẹp W = 780 N để đảm bảo chi tiết không bị biến dạng do lực kẹp
do vậy ta chọn bề dày min của tấm kim loại là (Tính về một phía):
2.min = 10 (mm) min = 5 (mm)
Vậy góc 1 tại vị trí min là 1 = 123021
4


Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

Đặt lực lên sơ đồ ta có:

Viết phơng trình cân bằng momen tại O có:
Plx1 Do
.
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 ' lx1 Do
.
P .[l 2 sin +l2.sin( - 1)] = 0
2
2

Plx1 = 7184 N
Plx1 = Plx1 0,1.Plx1 = 0,9.Plx1 = 6465.6 N
Xét tại vị trí tay kẹp mở max
Khi đó lò xo bị nén thêm:
D
1
-3
* o = 38,9 mm = 38,9*10 m
2
180
Giả thiết chọn lực nén lúc đó là:
Plx2 = 1,3*Plx1 = 8405,28 N
Plmax = 8405,28 N
Độ cứng của lò xo:

l1 =





2

Plx1 0,3.6465,6
=
= 4,9.10 4 [N/m]
C=
-3
l1
39,8.10





VII. 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:
Ta có
a + Do
+ l1.cos2 = l2.cos + H + max
2
max = 100.cos2 60
Độ mở lớn nhất của cơ cấu kẹp ta chọn là 40 mm chiều dày max của tấm
phi kim loại là:
2.max = 10 max = 5
Góc 2 tại vị trí max là 2 = 1200
D
.21
-3
* o =34,54 mm = 34.54*10 m
2
80
Plx3 = c.l2 = 1692,4 N
Plx3 = Plx2 Plx3 = 6712,88 N
l2 =

5


Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

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
Plx3*Dp
P3 =
= 170 N
4*(l2sin +l1sin2)
G

b. Tính thanh AB:




P3

Py = P3.sin + (G + Gpt).cos = 288 N
Pz = P3.cos + (G + Gpt).sin = 288 N
ứng suất tại điểm nguy hiểm A
max = u min + nen
=
=

12. Py .l 2 .h
3

+

b.h .2
3. Py .l 2 + Pz
2.b 3

Pz
b.h

3.Py .l 2 + Pz

160

l
Py

Py*l2

M
Qy

Py

[]

Chọn vật liệu thép C45 [] = 160
N/mm2
2.b 3

b

Qx

-

Px

(VI.1)

b 6 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:
T=

Plx 2 Do 8405,28.33
.
=
= 69347,85 Nmm
2 2
4

6

Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

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:
T .K FP .FF

M 1,4. 3 z 2 . .[ ]
(VI.2)
d
p
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 = 66 răng
Do = m .z m =

33
= 0,5
66

(mm)

Theo đồ thị 10_21 chi tiết máy tập 1
Với hệ số dịch chỉnh = 0 z = 66
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
b

Phải xác định hệ số chiều rộng b =
Do
T .K FP .YF

d 1,43. z 2 .m 3 .[ ] = 0,6
F
Chọn d = 0,6 b = d.Do = 20 mm
Chia thành hai thanh ở hai đầu có răng b = b/2 = 10 mm
VIII. 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.

7


Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

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.
Bánh răng d0 = 33 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
d + d1
d01
Ta có Vo1 = w. o
2

0
Olà tâm vận tốc của bánh răng O1 trong
0'
chuyển động hành tinh.
d02
Giả sử có O là 1 điểm thuộc bánh răng O1 có vị trí

nh hình vẽ.
0
d + d1
0"
VO = 2.VO1 = 2.w. o
2
Ta chỉ cần tốc độ quay tơng đối của bánh răng O1 quanh tâm.
1

V V
WRO1 = O"d O1 =
O1
2

w.

d o + d1
d + d1
2
= w. o
d O1
d O1
2

Chọn do = 20 mm
dO1 = 25 mm
wro1 =

20 + 25
9
.w = .w
25
5

Ta phân tích và lựa chọn các đờng kính còn lại theo nh hình bên.












5

3

80

125



8


Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

IIX. 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 Vmax 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.

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 vd 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 = 8405,28 N
9


Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

Chiều dài hành trình công tác:
hct = .
nh vậy ta có vận tốc trung bình

Do
= 15,82 mm
2

hct
= 15,82
Vtb = 1s
mm/s = 15,82.10-3 m/s

Mà chuyển động của pitton là chuyển động chậm dần đều do có F lx
ngày càng tăng giả sử đó là chuyển động đều vận tốc ban đầu phải đạt :
vo = 2.vtb = 31,64.10-3 m/s
Chọn trớc Dxh = 30 mm
Lu lợng của dầu:
D
Q = . xl .vo = 7,45.10-6 m3/s = 7,45.10-3 l/s
4
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
PLxmax = P..
4
4.PLx max

áp suất P cần P = .D 2 = 9,83.106 N/m2 98 Dar

o
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 98.10 5.35.10 3
=
s
= 10,7*10-1 m 1,1 mm
5
2.[ ]
2.1,6.10

Chiều dày thành cần rất nhỏ do thép có sức bền cao. Nhng để dễ dàng lắp ráp
xylanh với tay gắp ta chọn hình dáng kết cấu nh sau để đễ lắp ghép
DXl

Tài liệu tham khảo:
Tự động hoá quá trình sản xuất NXB khoa học kỹ thuật;
Hệ thống thuỷ lực, khí nén;
ROBOTICS;
Chi tiết máy tập 1;
Sức bền vật liệu tập 1, 2;
Nguyên lý máy;
Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2.

10


Tự động hoá quá trình sản xuất

Đỗ Minh Thành - CTM4 - K43

11