Thiết kế Robot Scara 3 bậc tự do (final version kèm mô hình 3D, bản vẽ cad)

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

Thiết kế mô hình robot
Ở đây em sử dụng phần mềm SolidWords để thiết kế sơ bộ mô hình các
khâu và kết cấu của Robot
2.3.

Page 11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Hình 2.1: Mô hình robot scara






Khâu 0 (khâu đế): Khâu cố định
Khâu 1: Khâu động quay quanh trục thẳng đứng
Khâu 2: Khâu động quay quanh trục thẳng đứng song song với trục của khâu cố
định và ở phía cuối khâu 1
Khâu 3: Khâu động tịnh tiến theo phương song song với trục khâu cố định và ở
phía cuối khâu 2

Page 12

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ
THỐNG CƠ KHÍ ROBOT
Tính toán thiết kế bộ truyền động vít me đai ốc – Khâu 3
Cơ sở thiết kế
3.1.
3.1.1.

Truyền động Vít me – đai ốc được dùng để biến chuyển động quay thành
chuyển động tịnh tiến. Do yêu cầu hoạt động của robot cần chính xác nên ta lựa
chọn bộ truyền động vít –đai ốc bi để hạn chế sai lệch do khe hở giữa đai ốc và vít
me.

.
Hình 3.1. Vít me bi
- Tùy theo dạng chuyển động của vít và đai ốc có thể chia ra các loại:





Vít vừa quay vừa tịnh tiến, đai ốc cố định
Đai ốc quay, vít tịnh tiến
Vít quay, đai ốc tịnh tiến
Đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến, vít cố định

với giá

- Vận tốc tịnh tiến của vít và số vòng quay trong một phút của đai ốc có liên hệ:
Trong đó:

Z – số mối ren
p– Bước ren, mm
n– tốc độ quay của đai ốc.

3.1.2.

Thiết kế
Page 13


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Lựa chọn vật liệu và profin ren:
-Vít, bi : Thép cacbon C45 (độ cứng tôi bề mặt trên 60)
-Đai ốc: Gang xám
Sơ đồ truyền động:

Hình 3.2. Sơ đồ truyền động của trục vít me.
Các thông số đầu vào:
-

Đối với tải có khối lượng m= 10kg.
Vận tốc lớn nhất của đai ốc v=2780mm/s
Đồ thị vận tốc có dạng hình thang, tốc độ ban đầu bằng 0, và gia tốc là

hằng số ở cả giai đoạn khởi động và hãm.(Thời gian khởi động xấp xỉ 20%
thời gian 1 vòng chu kì).

0,87

-

-

0,29

1,45

Hình 3.3. Đồ thị vận tốc khâu 3
Thời gian thực hiện hết 1 chu trình là t = 1,45s
Vmax = amax. t
2
 Gia tốc hãm lớn nhất amax = 9,6m/s
Lực dọc trục lớn nhất: Famax = Fqt+ Pt= mamax+ mg= 196N
Cơ cấu hoạt động 8h một ngày, 6 ngày trong tuần, 50 tuần trên một năm, chế
độ hoạt động 25%.
Hành trình: 300mm.
Page 14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Tính toán sơ bộ đường kính ren trong d1của ren theo độ bền kéo

d0


trong đó: Fa = 196N

d0

Chọn trục vít me bi theo tiêu chuẩn SKF:
Từ những thông số trên ta chọn được trục vít me bi hỗ trợ gối đỡ cố định một đầu
(PLBU ball screw support bearings) như sau:

Hình 3.4. Trục vít me bi hỗ trợ gối cố định 1 đầu
Kích thước hình học của trục vít me và đai ốc lựa chọn:

Page 15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Hình 3.5. Thông số hình học trục vít me SND 16x10R.
Tính toán kiểm nghiệm trục vít me và chọn các thông số cho trục:
-

Lựa chọn kết cấu đầu trục: (một đầu thuộc kiểu 2A và một đầu kiểu 4A)

Page 16

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Hình 3.6. Đầu trục kiểu 2A&4A.
-

Lựa chọn gối đỡ cho trục vít me (một đầu dùng gối đỡ có mặt bích và một
đầu dùng gối đỡ tự lựa):

Page 17


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Hình 3.7. Gối đỡ cố định.

Page 18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Hình 3.8. Gối đỡ tự lựa.
-

Tuổi bền của cơ cấu:

3

C 
L10 =  a ÷
 Fm 


-

Trong đó:
• L10: Tuổi thọ (triệu vòng quay).
• Ca=10,7 kN: Tải động cơ bản.
• Fm: Lực dọc trục trung bình (kN)
= = =164 N
Fmin: Lực dọc trục nhỏ nhất.
Fmax: Lực dọc trục lớn nhất.
(triệu vòng).
Tốc độ giới hạn của trục vít me (rpm):

Page 19


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

ncr = 49.106.




-

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

f1d 2
l2

Trong đó:
• f1: hệ số tốc độ. Theo thiết kế sử dụng một đầu cố định và một đầu
dùng gối đỡ tự lựa => f1=3,8.
• d2: đường kính chân ren của trục vít. D d2=12,6mm
• l: khoảng cách giữa hai gối đỡ.
l= 300 + 47 + 2.2.5= 352mm: tổng hành trình vít me, chiều dài đai ốc
và chiều dài hai đầu không ren.
ncr = 18935 Vận tốc lớn nhất thiết kế: n= (V/Ph . Z ).60= 4170rpm < ncr.
Ph = 10mm, Z: số mối ren Z= 4
=> trục vít hoạt động tốt.
Kiểm nghiệm về tải:
=13832 N > Fmax= 196N
Trục hoạt động tốt.
Hiệu suất lý thuyết của bộ truyền:
η=

1
1
=
≈ 0,97
πd
3,14.16
0, 006
1+ 0 µ 1+

10
Ph

µ

-

: hệ số ma sát tại các ổ lăn.
Hiệu suất thực tế:
η p = 0, 9η = 0, 9.0, 97 ≈ 0,873

Tính chọn động cơ điện cho trục vít me:
Mô men xoắn cần truyền vào trục vít me:
T=
Công suất lớn nhất trên trục vít me:
P=
Tốc độ lớn nhất của động cơ: n= 4170rpm.

3.1.3.
-

Từ các thông số trên chọn động cơ truyền động cho trục vít me dựa vào
bảng sau

Page 20


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Hình 3.9. Bảng lựa chọn động cơ servo
Page 21


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Vậy ta chọn động cơ CSMT-02B AC Servo Motor (Samsung) -(0,9kg)
- Công su ất P = 200W
- Vận t ốc trong mi ền l àm việc thiết kế từ 3000 – 5000 v/p
- khối lượng m = 0,9 kg
- thông số hình học 40x40x60 mm
3.1.4. Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo
Chọn bạc dẫn hướng bi có các thông số sau:

Hình 3.10. Bạc dẫn hướng LMF 16.
Chọn khớp nối lò xo Flexible Coupling 18x25mm:

Hình 3.11. Flexible Coupling 18x25mm

Page 22


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

3.2. Tính toán thiết kế Khâu 2

3.2.1. Tính toán sức bền sơ bộ
Lựa chọn vật liệu:
Thép CT45(khối lượng riêng: ).
Giới hạn chảy:
Thiết kế, tính toán:
Mặt cắt ngang tính toán như hình vẽ

Hình 3.12. Mặt cắt ngang khâu 2
Dữ liệu đã biết:

Trọng lượng khâu 3:
Tải:
Khối lượng động cơ: 0.9 kg
L2 = 350 mm

Page 23


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

Trọng lượng khâu 3 + tải + động cơ
P3 =13.4kg

Mặt cắt ngang nguy hiểm nhất tại ngàm.
Momen uốn lớn nhất:
Trong đó:

Ứng suất uốn lớn nhất:

Chọn: m

Thiết kế cẳng dài về bên phía mỗi phía thêm 30 mm (khoét lỗ trục)
=>

Page 24


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

GVHD: TS. Nguyễn Thành Hùng

3.2.2. Tính toán toán đường kính trục

Hình 3.13. Mô hình thiết kế trên solidworks
Chọn vật liệu chế tạo trục là thép C45 thường hóa hoặc tôi cải thiện.
σb =

Có
600MPa, ứng suất xoắn cho phép
[σ]=63MPa

[τ ] =

30MPa, ứng suất cho phép

Gọi đường kính trục số 2 là d.
Đường kính của trục được tính theo 2 chỉ tiêu là độ bền xoắn và bền uốn.
Các thông số đầu vào:

-

Khối lượng m= 17,9kg

-

Thời gian 1 vòng chu kì của khâu là : t= 1,45(s).
Vận tốc góc khâu 1 :
Vận tốc góc khâu 2 so với khâu 1 : .
Đồ thị vận tốc góc ω1 và ω2 có dạng hình thang, tốc độ ban đầu bằng 0, và
gia tốc góc là hằng số ở cả giai đoạn khởi động và hãm.(Thời gian khởi động
xấp xỉ 20% thời gian 1 vòng chu kì).

Page 25