Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự do chuỗi động hở

Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện
đang sử dụng (ngoại trừ tài liệu tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài
liệu học tập và nghiên cứu đƣợc phép sử dụng).
Nội dung nghiên cứu bao gồm: Tổng quan về robot hàn, Tính toán thiết kế
các khâu, Mô phỏng hoạt động của tay máy robot bằng OpenGL.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.

Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Tác giả

Trần Duy Thúy

1


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
MỤC LỤC ................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU....…………………………4
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ 8
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ..................................... 12
1.1 CẤU TẠO CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP .................................................. 12

1.2 Tay máy robot ............................................................................................. 13
CHƢƠNG II. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC KHÂU ............................................. 19
2.1Tính toán trục 6 ............................................................................................. 19
2.2

Tính toán trục 5 ........................................................................................ 30

2.3

Tính toán trục 4 ........................................................................................ 42

2.3

Tính toán trục 3 ........................................................................................ 53

2.4

Tính toán trục 2 ........................................................................................ 66

2.5

Tính toán trục 1 ........................................................................................ 80

CHƢƠNG III – MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG TAY MÁY ROBOT BẰNG LẬP
TRÌNH MFC SỬ DỤNG THƢ VIỆN OPENGL ................................................. 94
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ OPENGL. ........................................................ 94
3.1.1. OpenGL. ............................................................................................. 94
3.1.2. Đặc điểm của OpenGL. ...................................................................... 95
3.2. GIỚI THIỆU NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VISUAL C++ VÀ ỨNG DỤNG
MFC. …………………………………………………………………….…….96

2


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

3.3. MÔ PHỎNG BÀI TOÁN CẦN THỰC HIỆN............................................ 97
3.3.1. Cách tạo một Project MFC để mô phỏng hoạt động. ......................... 97
3.3.2. Khởi tạo và thiết lập các gói thƣ viện của OpenGL. ........................ 103
3.3.3. Tạo các hàm. .................................................................................... 105
3.3.4. Thiết kế các mô hình đối tƣợng 3D trên SolidWorks. ..................... 126
3.3.5. Chạy mô phỏng sau khi hoàn thành. ................................................ 129
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 132

3


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

FMS

Flexoble Manufacturing Systems

CIM

Computer Integrated Manufacturing

n

Tốc độ

t

Thời gian

v

Vận tốc

G

Tải trọng

F

Trọng lực

L

Cánh tay đòn

T

Mô men

4


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Cấu hình của robot công nghiệp…………………………..…..

13

Hình 1.2: Kết cấu tay máy robot……..…………………………………..

13

Hình 1.3: Tay máy robot kết cấu song song……………………...……… 14
Hình 1.4: Tay máy robot hàn có cấu trúc nối tiếp……………………….. 15
Hình 1.5: Ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay của tay máy 18
robot……………………………………………………………………..
Hình 2.1: Thiết kế khâu 6 - Mỏ hàn……………………………………..

19

Hình 2.2: Đặc trƣng hình học của khâu 6………………………………..

20

Hình 2.3: Đồ thị đặc tính tải khớp 6……………………………………..

22

Hình 2.4: Hình ảnh hộp giảm tốc………………………………………...

25

Hình 2.5: Kết cấu hộp giảm tốc………………………………………….

27

Hình 2.6: Động cơ trục 6………………………………………………… 29
Hình 27: Kích thƣớc động cơ trục 6……………………………………... 30
Hình 2.8: Thiết kế và lắp ghép khâu 5…………………………………… 30
Hình 2.9: Đặc trƣng hình học khâu 5…………………………………….

31

Hình 2.10: Lắp ghép khâu 5 và 6………………………………………...

31

Hình 2.11: Động cơ trục 5……………………………………………….

32

5


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 2.12: Kết cấu hộp giảm tốc trục 5………………………………….

34

Hình 2.13: Động cơ trục 5……………………………………………….. 37
Hình 2.14: Kích thƣớc động cơ trục 5…………………………………… 39
Hình 2.15: Thiết kế và lắp ghép khâu 4………………………………….. 41
Hình 2.16: Thiết kế và lắp ghép khâu 4-6………………………………..

42

Hình 2-17: Đặc trƣng hình học cụm lắp ghép khâu 4-6…………………. 42
Hình 2.18: Hộp giảm tốc trục 4………………………………………….. 43
Hình 2.19: Kết cấu hộp giảm tốc trục 4…………………………………

43

Hình 2.20: Động cơ dẫn động trục 4…………………………………….

49

Hình 2.21: Kích thƣớc động cơ dẫn động trục 4…………………………

50

Hình 2.22: Thiết kế khâu 3………………………………………………. 52
Hình 2.23:Đặc trƣng hình học khâu 3……………………………………

53

Hình 2.24:Thiết kế lắp ghép cụm khâu 3+4+5+6………………………..

53

Hình 2.25: Đặc trƣng hình học cụm khâu 3+4+5+6……………………..

54

Hình 2.26: Hộp giảm tốc trục 3………………………………………….. 54
Hình 2.27: Kích thƣớc hộp giảm tốc trục 3……………………………… 55
Hình 2.28: Kích thƣớc động cơ trục 3…………………………………… 56
Hình 2.29: Hình ảnh động cơ trục 3……………………………………...

60

Hình 2.30: Thiết kế khâu 2………………………………………………. 61

6


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 2.31: Đặc trƣng hình học khâu 2…………………………………..

65

Hình 2.32: Lắp ghép cụm khâu (2+3+4+5+6)…………………………..

65

Hình 2.33: Đặc trƣng hình học cụm khâu (2+3+4+5+6)………………… 66
Hình 2.34: Hộp giảm tốc trục 2………………………………………….. 67
Hình 2.35: Kích thƣớc hộp giảm tốc trục 2……………………………… 67
Hình 2.36: Kích thƣớc động cơ trục 2…………………………………… 68
Hình 2.37: Hình ảnh động cơ trục 2……………………………………...

71

Hình 2.38: Thiết kế khâu 1………………………………………………. 74
Hình 2.39: Đặc trƣng hình học khâu 1…………………………………...

75

Hình 2.40: Thiết kế cụm khâu lắp ghép (1+2+3+4+5+6)……………….

79

Hình 2.41: Đặc trƣng hình học cụm khâu (1+2+3+4+5+6)……………...

79

Hình 2.42: Hộp giảm tốc trục 1………………………………………….. 80
Hình 2.43: Kích thƣớc hộp giảm tốc trục 1……………………………… 81
Hình 2.44: Kích thƣớc động cơ trục 1…………………………………… 81
Hình 2.45: Hình ảnh động cơ trục 1……………………………………...

82

Hình 3.13: Ví dụ mô bình 3D vẽ bằng Solidwork………………………

125

7


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang
Bảng chế độ làm việc khâu 6…………………………………………….

20

Sơ đồ động học khâu 6……………………………………………………

21

Đồ thị đặc tính tải khớp 6……………………………………………….

23

Động cơ dẫn động trục 6 ………………………………………………..

26

Đặc trƣng hình học bản lắp ghép khâu 5 và 6…………………………….

29

Bảng chế độ làm việc của khâu 5………………………………………..

32

Đồ thị đặc tính tải khâu 5………………………………………………..

33

Thông số hộp giảm tốc khâu 5…………………………………………..

34

Động cơ dẫn động trục 5 ………………………………………………..

35

Bảng chế độ làm việc của khâu 4………………………………………..

38

Đồ thị đặc tính tải khâu 4………………………………………………..

41

Thông số hộp giảm tốc khâu 4…………………………………………..

44

Động cơ dẫn động trục 4 ………………………………………………..

47

Bảng chế độ làm việc của khâu 3………………………………………..

49

Đồ thị đặc tính tải khâu 3………………………………………………..

52

Thông số hộp giảm tốc khâu 3…………………………………………..

55

Động cơ dẫn động trục 3…………………………………………………

57

8


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Bảng chế độ làm việc của khâu 2 ……………………………………….

58

Đồ thị đặc tính tải khâu 2…………………………………………………

60

Thông số hộp giảm tốc khâu 2……………………………………………

64

Động cơ dẫn động trục 2…………………………………………………

69

Bảng chế độ làm việc của khâu 1………………………………………..

71

Đồ thị đặc tính tải khâu 1…………………………………………………

86

Thông số hộp giảm tốc khâu 1……………………………………………

88

Động cơ dẫn động trục 1…………………………………………………

92

9

Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Tay máy là bộ phận rất quan trọng của robot quyết định đến độ cứng vững, độ
chính xác hoạt động và tải trọng có ích của robot. Việc nghiên cứu thiết kế tay máy
robot một cách tối ƣu sẽ góp phần nâng cao các chỉ tiêu kỹ thuật cho robot. Từ
trƣớc đến nay nhiều đề tài nghiên cứu về robot sử dụng tay máy có sẵn mà không đi
sâu tính toán thiết kế một cách đầy đủ, khoa học. Để tiến tới chế tạo robot mang
thƣơng iệu Việt Nam trƣớc hết phải hoàn chỉnh đƣợc thiết kế về tay máy và hệ
thống điều khiển.
Trƣớc nhu cầu nhƣ vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng
hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự do chuỗi động hở”.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn:
Thiết kế kết cấu cơ khí và mô phỏng hoạt động robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở nhằm làm chủ thiết kế để tiến tới triển khai chế tạo tại Việt nam
thay thế cho nhập khẩu.
Phạm vi nghiên cứu:
+ Tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự do chuỗi động hở.
Nội dung nghiên cứu:
- Tính toán chọn bộ truyền động cho các khớp.
- Tính toán chọn động cơ cho các khâu.
- Thiết kế các khâu, khớp.
- Mô phỏng hoạt động của tay máy robot.

10


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Tóm tắt các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:
-

Thiết kế đƣợc hoàn chỉnh phần cơ khí tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do trong đáng lƣu ý là phần tính toán lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc

-

Mô phỏng hoạt động của tay máy bằng OpenGL

Phương pháp nghiên cứu:
- Tham khảo các dạng tay máy robot hàn của các hãng trên thế giới
- Tập hợp các ý kiến đóng góp của các chuyên gia về lĩnh vực hàn, tự động
hoá và các chuyên gia về công nghệ chế tạo cơ khí
- Thu thập các tài liệu kỹ thuật liên quan việc tính toán, thiết kế
- Ứng dụng thƣ viện OpenGL để mô phỏng hoạt động của robot.

11


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

CHƢƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 CẤU TẠO CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP
Về mặt truyền động và điều khiển, robot đƣợc cấu tạo từ các khối cấu trúc cơ
khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Các cơ cấu tác động này có thể hoạt động
phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dƣới sự điều khiển của
một bộ phận có cấu tạo nhƣ máy tính, còn gọi là những bộ điều khiển PC - based.
Với những đặc điểm về cấu tạo và hoạt động thì robot thƣờng đƣợc sử dụng trong
các hệ thống sản xuất linh hoạt dạng workcell (FMS - Flexoble Manufacturing
Systems) và các hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM - Computer Integrated
Manufacturing). Càng ngày các dây chuyền sản xuất tự động có sử dụng robot thay
thế dần các dây chuyền sản xuất tự động với chƣơng trình hoạt động “cứng” trƣớc
đây.
Việc ứng dụng robot vào sản xuất gắn liền với sự hiểu biết đầy đủ các vấn đề
có liên quan chặt chẽ với nhau nhƣ các dạng nguồn dẫn động, các hệ thống và chế
độ điều khiển, các cảm biến trang bị trên robot, khả năng của phần mềm và ngôn
ngữ lập trình cũng nhƣ chọn lựa các bộ giao tiếp và xuất/nhập tín hiệu phù hợp cho
các bộ phận chấp hành khác nhau.
Trong chƣơng này sẽ đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất về các thành phần
và cấu hình của một robot hànp. Về mặt kết cấu, robot đƣợc chế tạo rất khác biệt
nhau, nhƣng chúng đƣợc xây dựng từ các thành phần cơ bản nhƣ nhau (hình 2.1),
bao gồm:
1. Tay máy
2. Bộ điều khiển
3. Bảng lập trình
4. Hộp vận hành
5. Nguồn hàn và các thiết bị phụ trợ

12

Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 1.1: Cấu hình của robot công nghiệp

1.2 Tay máy robot
1.2.1 Khái niệm

Hình 1.2 Kết cấu tay máy robot

13


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn
trong lĩnh vực này không có sự khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta
hiểu tay máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo
cơ bản của cánh tay ngƣời (hình 1.2). Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ
phận và cơ cấu cơ khí đƣợc thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tƣơng
đối với nhau, đƣợc gọi là các khâu động. Trong đó, phần liên kết giữa các khâu
động đƣợc gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục. Tay máy cũng bao gồm cả
các cơ cấu tác động là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành
tay máy nhƣ động cơ điện, xy - lanh dầu ép, xy - lanh khí nén,... Phần quan trọng
khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối (End - Effector) để thao
tác trên đối tƣợng làm việc - thƣờng là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên
dùng nhƣ mỏ hàn, đầu phun sơn, ...

Tay máy có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông thƣờng là một
chuỗi động hở đƣợc tạo thành từ nhiều khâu đƣợc liên kết với nhau nhờ các khớp
động. Tay máy robot có hai loại: loại có cấu trúc động học nối tiếp (chuỗi động hở)
và loại có cấu trúc động học song song. Loại có cấu trúc động học song song có độ
cứng vững cao, tuy nhiên khả năng linh hoạt bị giảm. Loại này thƣờng sử dụng làm
nhiệm vụ cấp phôi hoặc kẹp chi tiết cho robot khác gia công (hình 1.3).

Hình 1.3: Tay máy robot kết cấu song song

14


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Loại tay máy có cấu trúc nối tiếp có động cứng vững thấp hơn nhƣng khả năng
linh hoạt của khâu tác động cuối cao hơn. Loại tay máy này thƣờng dùng cho các
robot hàn, lắp ráp,…(hình 1.4).

Hình 1.4: Tay máy robot hàn có cấu trúc nối tiếp
Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, thông thƣờng là động cơ
servo. Để tăng momen dẫn động và giảm tốc độ quay các trục thƣờng sử dụng các
hộp giảm tốc. Đối với robot hàn, để giảm trọng lƣợng các khâu cuối thƣờng sử dụng
hộp giảm tốc bánh răng sóng cho các trục 4, 5, 6, hộp giảm tốc bánh răng hành tinh
cho các khâu 1, 2, 3.
1.2.2 Bậc tự do của tay máy
Thông thƣờng 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 không gian hoạt
động. Trong lĩnh vực robot học (robotic) ngƣời 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, tƣơng ứng theo đó là một toạ độ suy
rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động. Mỗi trục của tay
máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí đƣợc điều khiển bởi một bộ xử lý
riêng.
15


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Thông qua các khảo sát thực tế, ngƣời 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 tự do cao. Tuy
nhiên, số bậc tự do này không nên quá 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 tƣợng thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của
nó) theo mọi hƣớng. Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn 6 sẽ không kinh tế và khó
điều khiển hơn. Sáu bậc tự do (6 chuyển động) đƣợc bố trí gồm:
• Ba chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị.
• Ba chuyển động bổ sung hay chuyển động định hƣớng.
1.2.3 Chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị
Về mặt nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu đƣợc liên kết với
nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở. Khớp động đƣợc
sử dụng trên các tay máy thƣờng là các khớp loại 5 (khớp tịnh tiến hoặc khớp quay
loại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển. Tay
máy có số chuyển động độc lập thƣờng là từ ba trở lên (dƣới đây ta sẽ gọi là bậc tự
do hay bậc chuyển động). Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh
tiến hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất
là một khả năng chuyển động độc lập và thƣờng là một. Nhƣ vậy khái niệm bậc tự
do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một tay
máy có thể thực hiện đƣợc. Trƣờng hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả

năng chuyển động độc lập, thì tay máy có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc
chuyển động và cũng có từng ấy khớp động hay trục. Các chuyển động cơ bản, hay
chuyển động chính trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hƣởng quyết
định đến dạng hình học của không gian hoạt động của nó. Các chuyển động này
thực hiện việc chuyển dời cổ tay của tay máy đến những vị trí khác nhau trong vùng
không gian hoạt động của tay máy vì vậy còn đƣợc gọi là các chuyển động định vị.
Bên cạnh các robot tĩnh tại đƣợc sử dụng phần lớn trong công nghiệp hiện nay, các
loại robot di động cũng đƣợc sử dụng trong một số trƣờng hợp đặc biệt. Bậc chuyển
động của robot di động đƣợc xác định bởi số khả năng chuyển động độc lập của nó

16


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

kể cả các chuyển động di động. Phần ngoài cùng của tay máy (khâu tác động cuối End Effector) thƣờng có dạng của một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tƣợng
thao tác, có thể tác động trực tiếp với đối tƣợng thao tác hoặc đƣợc thay thế bởi các
dụng cụ công nghệ nhƣ là ống đƣa dây hàn trên robot hàn, đầu phun sơn hoặc phun
men, đầu vặn bu-lông, đai ốc trong dây truyền lắp ráp tự động, v.v...Chuyển động
kẹp của tay gắp không đƣợc kể khi tính bậc chuyển động bởi vì chuyển động này
không ảnh hƣởng đến vị trí, toạ độ của tay máy. Để thuận tiện trong việc điều khiển,
mỗi bậc chuyển động của tay máy thƣờng là có nguồn dẫn động riêng, có thể là
nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện. Một số tay máy dùng chung nguồn dẫn cho
một nhóm các chuyển động, tuy nhiên, kiểu dùng chung này cồng kềnh và kém linh
hoạt hơn. Phần lớn các robot công nghiệp hiện đại có một tay máy. Tuy vậy trong
ứng dụng cũng có robot có nhiều tay máy.
1.2.4 Bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng).
Một tay máy đều yêu cầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối
(End Effector), có thể là một bộ gắp, kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn

dây hàn,v.v... có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn
thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra. Để hoàn toàn định hƣớng đến tƣ thế làm việc với
đối tƣợng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tƣơng tự nhƣ các chuyển
động xoay của cố tay ngƣời; ba khớp quay loại 5 đƣợc sử dụng để xoay khâu tác
động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của nó
(hình 1.5).

17


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 1.5: Ba
chuyển động tịnh
tiến và ba chuyển
động quay của tay
máy robot

Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên đƣợc gọi là các chuyển động định
hƣớng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp tay máy có thể dễ dàng định hƣớng của
khâu tác động cuối đạt đến tƣ thế cần thiết để tác động lên đối tƣợng thao tác, cũng
nhƣ tăng khả năng tránh chƣớng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện
tính chất động lực học của tay máy. Tuy nhiên, điều cần lƣu ý ở đây là thêm càng
nhiều bậc chuyển động một mặt sẽ làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt
khác cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển, tức là làm tăng sai
số tích luỹ trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối. Điều này đồng nghĩa với
sự gia tăng về chi phí, thời gian sản xuất và bảo dƣỡng robot.

Kết luận chƣơng I

Trong chƣơng này tác giả đã trình bày tổng quan về robot công nghiệp; đƣa ra
đƣợc cấu hình của hệ thống robot hàn hồ quang; phân tích các dạng tay máy robot,
đặc điểm của chúng làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế các khâu trong chƣơng II.

18


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

CHƢƠNG II. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC KHÂU
Các số liệu ban đầu: Các số liệu này đƣợc chọn theo robor hàn hồ quang DR-4000
của hãng OTC Daihen Nhật Bản.
-

Tải trọng có ích: 5kg

-

Tốc độ tối đa: trục I, II, III: 2100/s, trục IV , V: 3600/s, trục VI: 5400/s,

-

Dẫn động: động cơ servo xoay chiều,

-

Truyền động: hộp giảm tốc bánh răng sóng, bánh răng hành tinh, bộ truyền
đai răng.

2.1 Tính toán trục 6
Khâu 6 là khâu tích hợp với Robot, thông thƣờng là mỏ hàn Blue Torch dùng
cho Robot.

Hình 2.1: Thiết kế khâu 6 - Mỏ hàn

19


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 2.2: Đặc trưng hình học của khâu 6
Tốc độ lớn nhất của trục 6: 5400/s

+ Chế độ làm việc

Chế độ

Tốc độ

Tốc độ

Thời gian

(vg/ph)

(rad/s)

(s)

Khởi động

n1 = 51.67

t1 = 0.1

Duy trì

n2 = 90

t2 = 0.2

Giảm tốc

n3 = 51.67

t3 = 0.1

Chuyển tiếp

n4 = 0

t4 = 0.2

Sự cố

nem = 90

tem = 0.05

20


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Sơ đồ động học:

Động

Bộ truyền
đai

Bộ truyền
BR côn
xoắn

Hộp giảm
tốc BR
sóng

cơ

M6

(Khâu 6)

iđ

ibrc

ihgt

Khâu 6

+ Tải trọng : G6-max = Gmax = 5 (kg)
- Trọng lực của tải: FG = g*G6 = 9.81 * 5 = 49 (N)
+ Cánh tay đòn trọng tâm khâu 6 đối với trục khớp 6 (theo tính toán):
L6 = Gy = 50.718 mm = 0.051 m
+ Momen xoắn tĩnh đối với trục khớp 6:

+ Momen quán tính đối với trục khớp 6 (theo tính toán):

+ Gia tốc khi khởi động hoặc dừng của khâu 6:

+ Momen xoắn động đối với trục 6 gây bởi gia tốc:

Khi đó, momen xoắn đối với trục khớp 6:

21

Tải


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 2.3: Đồ thị đặc tính tải khớp 6
Phân tích

-

Tốc độ tăng từ 0 lên đến n2 và momen xoắn tăng từ 0 lên đến T1 trong
khoảng thời gian t1. Sau khoảng thời gian 1/2t1, momen xoắn xác lập giá trị là
T1 và duy trì đến khi tốc độ tăng tuyến tính sát với giá trị yêu cầu n 2, lúc đó
T1 giảm để chuẩn bị ổn định momen yêu cầu là T2vƣợt tốc ni>n2.

-

Trong khoảng thời gian t2 chế độ hoạt động với momen giữ là T2 và tốc độ
quay là n2. Chế độ giảm tốc diễn ra trong khoảng thời gian t3, tốc độ giảm từ
n2 xuống 0, để thực hiện điều này cần đặt vào trục quay một vector momen
âm T3(ngƣợc chiều vector quay) để hãm quá trình chuyển động. Sau khi xác
lập giá trị momen T3 và duy trì trong một khoảng thời gian nhất định, để giá
trị tốc độ ni =0 và tránh hiện tƣợng hụt tốc (quay ngƣợc chiều) lúc đó T3 sẽ
đƣợc điều chỉnh giảm xuống để khi n = 0 thì T3 = 0.

Xong một chu kỳ tải và chuẩn bị bƣớc sang chu kỳ tải tiếp theo sau khoảng thời
gian (t1 + t2 + t3). t4 là thời gian chuyển tiếp giữa 2 chu kỳ tải, momen xoắn trong
giai đoạn này là T4 = 0 ( không đặt tải).

22


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Momen
Chế độ

xoắn
(N.m)

Tốc độ

Tốc độ

(vg/ph)

(rad/s)

Thời
gian
(s)

Khởi động

T1 = 4,029

n1 = 51.67

t1 = 0.1

Duy trì

T2 = 2,051

n2 = 94,2

t2 = 0.2

Giảm tốc

T3 = 4,029

n3 = 51.67

t3 = 0.1

Chuyển tiếp

T4 = 0

n4 = 0

t4 = 0.2

Sự cố

Tem = 13.255

nem = 94,2

tem = 0.05

-

Tốc độ đầu ra yêu cầu lớn nhất: 94,2(vg/ph)

-

Tốc độ đầu vào dự kiến lớn nhất: 6000 (vg/ph)

+ Đầu ra có momen xoắn trung bình

(ứng với hộp giảm tốc SHF-17)
+ Đầu ra có tốc độ trung bình

Tỷ số truyền:

23


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

+ Tốc độ trung bình đầu vào

+ Tốc độ đầu vào lớn nhất :
(phù hợp với SHF-17-50-2A)
+ Giới hạn momen xoắn đƣợc kiểm nghiệm:
(phù hợp với SHF-17-50-2A)
(phù hợp với SHF-17-50-2A)
Mômen xoắn quá tải đƣợc kiểm nghiệm:
(phù hợp với SHF-17-50-2A)
+ Số vòng quay cho phép khi chạy ở chế độ quá tải:

(thoả mãn)
Chọn hộp giảm tốc SHF-17-50-2A-R-SP.

+ Tuổi thọ của hộp giảm tốc:

Trong đó:
-

Ln là tuổi thọ định mức của nhà sản xuất: Ln = 7000 (h)

-

Tr là momen xoắn định mức của nhà sản xuất: Tr = 16 (Nm)

24


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

-

nr là tốc độ chạy định mức của nhà sản xuất: nr = 2000 (vg/ph)

-

Lh là tuổi thọ dự kiến của hộp giảm tốc (h)

-

Tav là momen xoắn trung bình khi thiết bị hoạt động (Nm)

-

ni-av là tốc độ chạy trung bình khi thiết bị hoạt động (vg/ph)

Nhƣ vậy với đặc tính tải nhƣ trên, hộp giảm tốc này hoạt động đƣợc 722400 giờ.

Hình 2.4: Hình ảnh hộp giảm tốc

25