Do-an-in - Grade: B+ PDF

Preview

Summary

Download Do-an-in - Grade: B+ PDF

Description

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Lời nói đầu Sự phát triển vượt bậc của cách mạng khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử, tin học đã thúc đẩy các ngành khác cùng phát triển. Xu hướng phát triển trong lĩnh vực công nghiệp hiện nay trên thế giới là tự động hóa, linh hoạt trong sản xuất theo hướng ứng dụng robot công nghiệp vào trong sản xuất. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay, việc ứng dụng robot vào trong sản xuất còn rất hạn chế và mới mẻ. Những kỹ sư phải có một kiến thức sâu rộng về robot công nghiệp vào trong sản xuất. Chính những suy nghĩ này đã đưa chúng em đến với đồ án :” Thiết kế cơ khí robot harmo”. Là những sinh viên cơ khí năm 3 chuyên ngành cơ điện tử, chưa từng được tiếp xúc và nghiên cứu về bộ môn robot nên chúng em đã gặp không ít những bối rồi và khó khăn khi tiếp cận với đề tài này. Tuy nhiên được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thPy PGS.TS. Phạm Văn Hùng, chúng em đã thực hiện thành công đề tài này. Tuy bước đPu đã có kết quả. Nhưng đây là đồ án đPu tiên mà em và các bạn giải quyết nên không tránh khỏi nhũng sai sót do thiếu kinh nghiệm thực tế. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thPy cô để đồ án của được hoàn thiện hơn. Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thPy Phạm Văn Hùng cùng toàn thể các thPy cô đã hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành đồ án.

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 1

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Mục Lục LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................... 1 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ..............................................................................................3 CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH NGHIÊN CỨU CÁC ROBOT TƯƠNG TỰU (ROBOT HARMO UE700SW-2R)...................................................................................................4 I.1. Vẽ sơ đồ động học đơn giản:....................................................................................4 I.2. Phân tích tính năng kỹ thuật:....................................................................................5 I.3. Khảo sát hành trình chuyển động và nguồn động lực:.............................................7 I.3.1 Bậc tự do tịnh tiến theo phương YG....................................................................7 I.3.2 Bậc tự do tịnh tiến theo phương XG :.................................................................9 I.3.3 Bậc tự do tịnh tiến theo phương ZG :................................................................11 I.3.4 Bậc tự do quay 900 quanh trục YG:...................................................................12 I.4. Phân tích hệ điều khiển Robot...............................................................................14 I.4.1. Bộ điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller - PLC).........14 I.4.2 Sơ đồ mạch điều khiển khí nén và nguyên lí hoạt động của các bậc tự do:.....16 CHƯƠNG II: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT...................19 II.1 Sơ đồ động học Robot Harmo theo yêu cPu và Xác định hệ tọa đồ từng khâu và khớp............................................................................................................................. 19 II.2 Xác định bộ thông số DH......................................................................................20 II.3 Ma trận chuyển đổi từng khâu khớp......................................................................21 II.4 Phương trình động học cơ bản của robot...............................................................22 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẪN ĐỘNG CHO TỪNG BẬC TỰ DO CỦA ROBOT............................................................................................................................ 26 THÔNG SỐ ĐẦU VÀO:.............................................................................................26 III.1 Xác định gia tốc a của Robot:...............................................................................26 III.2 Tính chọn piston xilanh kẹp chi tiết :...................................................................27 III.3 Tính chọn piston xilanh cho bậc tự do quay quanh trục XG:.................................32 III.4 Tính chọn piston xilanh cho bậc tự do tịnh tiến theo ZG :.....................................36 III.5 Tính chọn piston xilanh cho bậc tự do tịnh tiến theo XG :.....................................38 III.6 Tính chọn động cơ cho bậc tự do tịnh tiến theo YG :.............................................40 a.

Tính toán tốc độ quay......................................................................................40

b. Tính toán công suất của động cơ..........................................................................40 Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 2

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

 Giới thiệu về Robot: Trong công nghiệp sản xuất, đối với các sản phẩm ép hoặc những sản phẩm đòi hỏi yêu cPu cao về vấn đề vệ sinh , sạch sẽ thì trong các máy công nghiệp hiện đại ngày nay có trang bị một số tay máy có chức năng gắp sản phẩm ra từ khuôn đúc và đặt vào các vị trí khác trong dây chuyền sản xuất, vị trí gia công tiếp theo …Những tay máy này sẽ đảm bảo quy trình sản xuất các sản phẩm công nghiệp được tự động hoàn toàn trên một dây chuyền và sản phẩm đPu ra đạt được các các yêu cPu khắt khe từ phía khách hàng. Harmo chính là một trong những tay máy như thế.  Nội dung đồ án: 1. Nghiên cứu, phân tích một số cụm kết cấu của Robot có tính năng kỹ thuật tương đương với nhiệm vụ thiết kế Robot cấp phôi. Lựa chọn hệ thống khảo chính để thiết kế hệ thống mới trên quan điểm truyền thống, kế thừa và cải tiến. 2. Phân tích động học của hệ thống cơ khí tham khảo trên cơ sở sơ đồ động cùng với các đặc điểm đặc trưng về kết cấu và điều khiển. 3. Thiết kế động học hệ thống cơ khí mới dựa trên các số liệu ban đPu (lựa chọn cơ cấu truyền động, phạm vi thay đổi tốc độ, sơ đồ động, kích thước sơ bộ…). 4. Thiết kế động lực học hệ thống mới (tính công suất, chọn động cơ, tính toán lựa chọn các cụm chi tiết tiêu chuẩn, tính sức bền cho một số chi tiết, cụm chi tiết đặc trưng nếu cPn). 5. Thiết kế kết cấu hệ thống robot cấp phôi mới.  Mục tiêu: Thiết kế cấu tạo cơ học của robot cấp phôi.

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 3

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

CHƯƠNG 1 : NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ROBOT CẤP PHÔI CÓ TÍNH NĂNG KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ ĐÃ CÓ  Đối tượng : Robot harmo UE700SW-2R đặt tại phòng thí nghiệm Bộ môn Máy và Ma sát học, viện Cơ Khí, Đại học Bách khoa Hà Nội.

Hình 1-1: mô phỏng Robot Harmo

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 4

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

I.1. Vẽ sơ đồ động học đơn giản:

Y1

Z0

Y2 Z1

Y0

Y3 Y4 ZG YG

Hình 1.1: Sơ đồ động học Robot Harmo UE700SW-2R

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 5

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

I.2. Phân tích tính năng kỹ thuật:  Các thông số cơ bản :  Khối lượng gắp : M = 200g  Chiều cao thân Robot: 1450mm  Kích thước bậc tự do tịnh tiến theo Oy: -

Chiều dài theo phương y: 1850 mm.

-

Giới hạn chuyển động trục y: 1600mm.

 Kích thước bậc tự do tịnh tiến theo Ox: -

Giới hạn chuyển động: 500mm.

-

Chiều dài theo phương x: 1200 mm.

 Kích thước bậc tự do tịnh tiến theo trục Oz: -

Giới hạn chuyển động Oz: 600mm.

-

Chiều dài theo phương z: 1050 mm.

 Số bậc tự do: 4 bậc tự do -

3 tịnh tiến theo các trục Ox, Oy, Oz

-

1 quay 900 quanh trục Oy

 Vai trò cơ bản:  Tay máy kiểu tọa độ Đề-các  Vùng làm việc hình hộp chữ nhật  Độ cứng vững và độ chính xác cao  Sử dụng cho vận chuyển và lắp ráp

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 6

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

I.3. Khảo sát hành trình chuyển động và nguồn động lực: I.3.1 Bậc tự do tịnh tiến theo phương YG

Hình 1.3 Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo trục YG Cơ cấu chuyển động: -

Động cơ M1(P = 0.2KW; n = 1500 vòng/phút) – nguồn động lực dẫn động. Servo AC Mitsubishi GM-HFB

-

Inventer – điều khiển tốc độ động cơ M1 thông qua thay đổi tPn số.

-

Hộp giảm tốc với tỷ số truyền 1:10.

-

Encoder dùng để đếm quãng đường mà cánh tay đi được (encoder cho 100 xung/vòng, bao gồm một đĩa quay, 1 bộ phận phát ra ánh sáng, một thiết bị dò ánh sáng và một bộ khuếch đại tín hiệu điện).

-

Thanh răng với thông số 1860x20x20, mô đun m = 2.

-

Bánh răng với thông số Z = 30, mô đun m = 2.

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 7

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng -

Hai cảm biến vị trí, Cb1 ở vị trí gốc và Cb2 là cảm biến ở vị trí ngoài cùng. Hai cảm biến này đều là cảm biến điện từ

-

Hai thanh trượt đuôi én đóng vai trò dẫn hướng chuyển động ma sát lăn dọc theo trục X.

Hình 1.4 Bậc tự do tịnh tiến hướng YG

Hình 1.5 Các thông số động cơ

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý bậc tự do dọc trục YG

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 8

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

I.3.2 Bậc tự do tịnh tiến theo phương XG :

Hình 1.7 Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo trục XG

 Trục của piston và xilanh trùng với trục XG, xilanh gắn cố định piston dịch chuyển: + Chuyển động hai chiều. + Hành trình: 500 mm + Đường kính piston: 16 mm + Đường kính trong xilanh: 32mm + Vận tốc: 50 ~ 800 mm/s. + Sử dụng nguồn khí nén: P = 0.2Mpa điều chỉnh qua van tiết lưu  Định hướng nhờ các sống trượt hình trụ gắn cố định trên XG , dẫn hướng bằng ma sát lăn.  Truyền động cho cơ cấu đặt cữ hành trình vitme – đai ốc dùng động cơ điện.

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 9

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Hình 1.8 Cơ cấu dịch chuyển hướng XG

Hình 1.9 Piston khí nén

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Hình 1.10 Động cơ

Page 10

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý bậc tự do dọc trục XG

I.3.3 Bậc tự do tịnh tiến theo phương ZG :

Hình 1.12 Sơ đồ mô phỏng bậc tự do theo trục ZG

 Trục của piston và xilanh trùng với trục ZG, xilanh gắn cố định piston dịch chuyển: Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 11

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng + Chuyển động hai chiều. + Hành trình: 600 mm + Đường kính piston: 20 mm + Vận tốc: 50 ~ 800 mm/s.  Truyền động cơ cấu đặt cữ hành trình vitme – đai ốc  Động cơ điện 1 pha đảo chiều bằng cuộn dây.  Chuyền động trục động cơ đến vitme thông qua cơ cấu bánh răng – đai răng

Hình 1.13 Cơ cấu dẫn động hướng Z

Hình 1.14 Động cơ đảo chiều

Hình 1.15 Cơ chế di

chuyển

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 12

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

I.3.4 Bậc tự do quay 900 quanh trục YG: -Chiều dài hai thanh kẹp : 40mm - Góc quay 900 - Sử dụng cơ cấu quay gá lệch tâm. - Nguồn động lực : xilanh khí nén tác động hai chiều với piston 1 đPu cPn + Đường kính trong piston: 16 mm. + Chuyển động hai chiều. + Hành trình: 60 mm + Vận tốc: 30 ~ 500 mm/s.

Hình 1.16 Cơ chế quay sử dụng khí nén nén

Hình 1.17 Cơ chế kẹp sử dụng khí

Hình 1.18 Xylanh bZn kẹp

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 13

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

I.4. Phân tích hệ điều khiển Robot. I.4.1. Bộ điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller PLC)  Robot Harmo UE700SW-2R được điều khiển bởi bộ điều khiển logic lập trình OMRON CPM2A-40CDT-D của OMRON.  Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển: • CPU với 40 cổng I/O • 24 đPu vào và 16 đPu ra • Nguồn điện: 24VDC. • Transistor đPu ra NPN • ĐPu ra: 24VDC, 0.3A • Các chức năng tiên tiến phù hợp với các ứng dụng vừa và nhỏ • Có giao tiếp RS232 trên CPU; Mở rộng đến 180 cổng I/O • Xử lý tốc độ cao quét và ngắt. • Bộ đếm tốc độ cao 20 kHz. • Đồng bộ điều khiển xung đồng bộ. • Chức năng xung đPu ra cho nhiều ứng dụng định vị khác nhau. • Khối nối có thể tháo rời để bảo trì dễ dàng. • Chức năng thời gian thực. • Bộ điều khiển tương tự được phân phối có thể được sử dụng.

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 14

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

Hình 1.19 Harmo UE700SW-2R Hệ thống điều khiển robot Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 15

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

I.4.2 Sơ đồ mạch điều khiển khí nén và nguyên lí hoạt động của các bậc tự do: - Sơ đồ mạch điều khiển bằng khí nén:

Hình 1.20 Sơ đồ mạch điều khiển khí nén Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí, một đPu điều khiển bởi điện từ, một đPu điều khiển bởi lò xo. Van đảo chiều 5 của, 2 vị trí, một đPu điều khiển bằng điện từ, một đPu điều khiển bằng lò xo Van đảo chiều 5 của, 2 vị trí, hai đPu điều khiển bằng điện từ

Xi lanh tác động đơn chuyể n động lùi nhờ lò xo.

Xi lanh tác đ ng ộ kép v i ớ piston tác đ ng ộ

m ở t ộđầầu cầần.

Van tếết l uưđiếầu ch nh ỉ đ ượ c, tác đ ng ộ bầết kì.

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 16

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

B ộđiếầu áp.

Máy nén khí

c. Các cảm biến được sử dụng : Các cảm biến được sử dụng trong robot HARMO là cảm biến điện từ. -

Trên trục Z, robot sử dụng hai bộ cảm biến Cb1 và Cb2 để nhận vị trí home và vị trí xa nhất của robot.

Hình 1.21: Hai bộ cảm biến Cb1 vZ Cb2 -

Trên trục Y, robot sử dụng hai công tắc từ PS 3150 để xác định vị trí home và vị trí xa nhất của máy.

Hình 1.22 Công t#c từ PS 3150

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 17

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng -

Trục Z cũng sử dụng hai cảmbiến Cb3 và Cb4 để xác định vị trí trên và dưới của bàn kẹp.

Hình 1.23Cảm biến trên trục Z

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 18

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

CHƯƠNG II: THIẾT LẬP PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT II.1 Sơ đồ động học Robot Harmo theo yêu cầu và Xác định hệ tọa đồ từng khâu và khớp. Để thiết lập được các phương trình động học của Robot nói riêng cũng như của các vật khác nói chung thì trước hết ta phải thiết lập được hệ tọa độ cho vật dó bởi phương trình động học sẽ chỉ tương ứng với một hệ tọa độ nhất định. Theo quy tắc đặt hệ tọa độ thì gốc của hệ tọa độ thứ i gắn liền với chính khâu thứ i đó và được đặt tại giao điểm của đường vuông góc chung giữa hai trục khớp động thứ i + 1 và khớp động thứ i với chính trục khớp động thứ i + 1. Trong trường hợp hai trục của khớp động giao nhau thì gốc tọa độ sẽ được lấy trùng với chính giao điểm đó. Còn nếu hai trục song song với nhau thì gốc tọa độ được chọn là điểm bất kỳ trên trục khớp động i+1. Trục Zi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động thứ i+1. Trục Xi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng từ khớp động i đến khớp động i+1. Trường hợp hai trục giao nhau, hướng trục Xi sẽ trùng với hướng vecto ZixZi-1, tức là vuông góc cới mặt phẳng chứa Zi, Zi-1. Áp dụng nguyên tắc đặt hệ trục tọa độ trên vào robot Harmo ta có hệ tọa độ của robot Harmo như hình vẽ.

Hình 2.1 Sơ đồ động học Robot Harmo chi tiết. Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 19

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng

II.2 Xác định bộ thông số DH Bộ thông số DH bao gồm các thông số cơ bản giữa hai khâu liên tiếp nhau. Cụ thể là: ai : Khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương X i d i : Khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương Z i−1

α i : Góc quay quanh trục

Xi

θi : Góc quay quanh trục Z i−1

giữa Z i−1 và Z i giữa X i−1 và X i

Trong bộ thông số trên có một thông số là đặc trưng và cũng là thông so thể hiện chuyển động tương đối giữa hai khâu (thể hiện chuyển động của khớp). Thông số đó được là biến khớp. Biến khớp sẽ là θi với khớp động là khớp quay, và là di nếu khớp động là khớp tịnh tiến. Để phân biệt giữa biến khớp và các thông số khác, ta dùng thêm dấu * bên cạnh thông số đó để ký hiệu rằng đó là biến khớp.

Bảng thông số DH của robot Harmo như sau.

Khâu

θi

αi

ai

di

Biến khớp

1

900

900

a1

d1*

d1*

2

-900

-900

a2

d2*

d2*

3

900

-900

a3

d3*

d3*

4

θ4*

-900

a4

0

θ4*

II.3 Ma trận chuyển đổi từng khâu khớp. Trên cơ sở đã được xây dựng được các hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếp nhau và bộ thông số DH, có thể thiết lập mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ liên tiếp nhau theo các bước sau: Quay quanh trục Zi-1 một góc θi Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

Page 20

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng Tịnh tiến dọc trục Zi-1 một khoảng di Tịnh tiến dọc trục Xi-1 (đã trùng với Xi) một khoảng ai Quay quanh trục Xi-1 một góc αi Ta được ma trận chuyển từ gốc tọa độ Oi về Oi-1 Bốn bước này được thể hiện bằng tích các ma trận thuPn nhất sau: A i=

i-1

Ai = R(z, θi).Tp(0,0,di).Tp(ai,0,0).R(x, αi)

Các ma trận ở vế phải được tính theo công thức của các phép biến đổi ma trân: Quay quanh trục OX một góc α: 0 1  0 cos  i R  x, i     0 sin  i  0 0

0  sin i cos  i 0

0  0 0  1

Quay quanh trục OZ một góc θ:  sin i 0 0  cos  i 0 0  0 1 0  0 0 1

 cos i  sin  i R  z , i     0   0

Tịnh tiến theo phương P (Px , Py , Pz)T : 1 0 Tp  0  0

0 1 0 0

Px  Py  Pz   1

0 0 1 0

Áp dụng công thức này ta có ma trận biến đổi sau:

Ai =

 cos  sin    0   0

 sin  cos  0 0

0 0  1 0 0  0   1 0  0   0 1  0 x

0 1 0 0

Sinh viên: Lê Đ"c Th#ng – NUT14

0 0  1 0 0  0   1 di   0   0 1 0 x

0 1 0 0

Page 21

0 ai   1 0   0 0 0 cos    1 0   0 sin    0 1  0 0 x

0  sin  cos  0

0 0  0  1

Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - GVHD: PGS.TS Phạm Văn Hùng cos  sin    0  =  0

 cos  .sin  cos  .cos  sin 

sin .sin   sin  .cos  cos 

0

0

ai .cos   ai .sin   di   1 

Thay các thông số tương ứng các khâu vào ta có:

Ma trận chuyển đổi từ gốc tọa độ O 0 về O G : G

A0=

[

1 0 0 0 0 1 0 −1 0 0 0 0

0 0 h 1

]

Ma trận chuyển đổi từ gốc tọa độ O1 về O0 : 0

A1=

[ ] 0 1 0 0

0 0 1 0

1 0 0 a1 0 d1 0 1

Ma trận chuyển đổi từ gốc tọa độ O 2 về O1 : 1

A2=