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

Đề bài: 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. 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 như nguồn động lực tạo ra chuyển động mở và kẹp như có loại dùng động cơ servo, động cơ bước, 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 được tấm phi kim loại có trọng lượng m = 3 kg. Trong điều kiện hiện nay giá thành của động cơ servo cũng như động cơ bước khá cao và không phổ biến vì vậy ở đây chúng em chọn nguồn động lực là xylanh thuỷ lực. 1: Xylanh 2: Pitton 3: trục pitton + thanh răng 4: Khâu 1 5: Khâu 2 6: Má kẹp 7: Lò xo Qua quá trình phân tích kết cấu cũng như động lực học tay máy chúng em quyết định lựa chọn kết cấu của tay gấp như sơ đồ sau: Giải thích kết cấu: Thanh răng được gắn với trục pitton khi thanh răng chuyển động tịnh tiến sẽ làm cho khấu 1 quay quanh trục O được 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: Ở trạng thái bình thường khi chưa 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 được 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 ngược chiều lúc mở và thực hiện qua trình kẹp chi tiết. Dầu trong xylanh được ép ra ngoài trở về thiết bị chứa dầu. Ưu điểm của tay kẹp: + Đơn giá trong kết cấu, chế tạo. + Chi tiết được 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 lượng m £ 3 kg. Nên ta chọn má kẹp là 2 phiến tì có khía nhám. Ta có: B = 14 mm d = 5,5 mm H = 8 mm L = 60 mm Trọng lượng phiến tỳ. Vphiến tỳ = 6,2*10-6 m3 g = 7,8*103 kg/m3 Þ Gphiến tỳ = Vphiến tỳ*g = 0,0484 kg khoảng cách giữa hai mép phiến tỳ khi kẹp tấm phi kim loại là bề dày d của tấm phi kim loại. III) Lập các phương trình giàng buộc kết cấu và chọn một số kích thước để đảm bảo kích thước của tay gắp có kích thước và kết cấu hợp lý: 1- Tại vị trí cơ cấu kẹp tấm phi kim loại mở cực đại. Vị trí đó như 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 đưa vào kẹp tấm. Phương trình theo phương ngang: (III.1) Phương trình theo phương đứng Chọn hat = hdư = d (mm) (III.2) 2- Tại vị trí cơ cấu kẹp không làm việc Phương trình theo phương ngang: j hoặc l1 – l1*cosa = 20 (III.3) 3- Liên hệ giữa hct với Do và j: j* Thay vào (III.2) và thay L = 60 mm ta được: Þ j* (III.4) Từ (III.1), (III.3) và (III.4) ta có hệ phương trình: (III*) j* Hệ (III*) có 6 ẩn mà 3 phương trình liên hệ: Ta chọn trước l1 = 45 mm a = 12 mm Do = 20 mm Thay vào ta tính được các thông số sau: N G W j = 56015’ a = 5404’ chọn a = 540 IV) Lực kẹp cần thiết W: Fms W = N (IV.1) N N Giả sử trọng lượng vật cần nâng G. Điều kiện nâng vật: 2*Fms ³ G Þ 2*N*f ³ G Þ 2*N*f = K*G K: Hệ số an toàn Þ N = (IV.2) Từ (IV.1) và (IV.2) ta có: W = 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 lượng vật nặng G = 3 kg = 30 N Þ W = (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 trường hợp cơ cấu kẹp tấm phi kim loại có bề dày 2d min. Vì khi bề dày 2d 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 2d min. Ta có: j1 = l2*cosa + H + dmin Þ dmin = 45*cosj1 – 25 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: 2*dmin = 3 (mm) Þ dmin = 1,5 (mm) Vậy góc j1 tại vị trí dmin là j1 = 53055’ Đặt lực lên sơ đồ ta có: Viết phương trình cân bằng momen tại O có: a +l2*sin(j - Dj1)] – Gct*lv + åGi*li = 0 (V.1) Coi ảnh hưởng của các chi tiết kết cấu lên cơ cấu kẹp = 10% P1x Ta có qua các trọng lượng Gi; lv rất nhỏ bỏ qua. Þ a +l2*sin(j - Dj1)] = 0 P’lx1 = 2184 N Plx1 = P’lx1 – 0,1*P’lx1 = 0,9*P’lx1 = 1965 N Xét tại vị trí tay kẹp mở max Khi đó lò xo bị nén thêm: Dl1 = p*j1 180 Do 2 * = 94 mm = 94*10-3 m Giả thiết chọn lực nén lúc đó là: Plx2 = 1,3*Plx1 = 2555 N Plmax = 2555 N Þ Độ cứng của lò xo: C = [N/m] VI) Tính các kích thước còn lại của các chi tiết theo điều kiện bền: 1. Tính thanh OA và OB: Trong phần này ta tính cho trường hợp xấu nhất để kết cấu đủ bền. Trường hợp xấu nhất là khi kẹp tấm phi kim loại có dmax a. Xác định các thông số trong trường hợp này: Ta có l1*cosj2 = l2*cosa + H + dmax Þ dmax = 45*cosj2 – 25 Độ mở lớn nhất của cơ cấu kẹp ta chọn là 40 mm Þ chiều dày max của tấm phi kim loại là: 2*dmax = 30 Þ dmax = 15 Góc j2 tại vị trí dmax là j2 = 27015’ Dl2 = p*j2 180 Do 2 * = 4,76 mm = 94*10-3 m DPlx3 = c*Dl2 = 300 N Plx3 = Plx2 – Plx3 = 2255 N Tính lực kẹp lúc này bỏ qua trọng lượng chi tiết được kẹp vì nó tạo momen với O nhỏ do đó khoảng cách nhỏ và trọng lượng các thanh vì nó rất nhỏ so với Plx3 Plx3*Dp 4*(l2sina +l1sinj2) åMo = P3**(l2sina + l1sinj2) – Plx3*= 0 P3 = = 170 N b. Tính thanh AB: G P3 l b Gphiến tỳ nhỏ Þ bỏ qua Py = P3*sina + G*cosa = 138 N Pz = P3*cosa + G*sina = 100 N Ứng suất tại điểm nguy hiểm A smax = Py M Qy Qx Py*l2 Py Px - = = £ [s] Chọn vật liệu thép C45 [s] = 160 N/mm2 £ 160 (VI.1) Þ b³ 4,2 mm Kết luận để đảm bảo điều kiện bền thì kích thước 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 Þ h = 14 Ta chọn b = 8 bởi khi thiết kế các thanh được tách thành hai, có dạng: b=1 2. Tính toán bộ truyền động bánh răng thanh răng: Trường 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 = Nmm Tính bộ truyền ở đây chỉ cần đảm bảo độ bền uốn vì ở trường hợp này tốc độ chuyển động Þ Tính modul theo công thức: M ³ 1,4* (VI.2) Chọn vật liệu là thép 40x tôi cải thiện phần bánh răng làm việc: Có sF = 1400 (theo bảng 6.1 trang 92 TKHDĐ cơ khí tập 1) [sF] £ 0,8*sch = 1120 N/mm2 z số răng của bánh răng có đường kính Do chọn z lớn để chuyển động chính xác chọn z = 40 răng Do = m *z Þ m = (mm) Theo đồ thị 10_21 chi tiết máy tập 1 Với hệ số dịch chỉnh a = 0 z = 40 Þ = 3,7 Giả sử với yd = 0,4 bố trí theo sơ đồ 6 vật liệu có HB < 350 ® Theo đồ thị hình 10 – 14 Þ KFP = 1,05 Phải xác định hệ số chiều rộng yb = yd ³ 1,43* Chọn yd = 0,6 Þ b = yd*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 phương 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 j 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 đường 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 trường hợp này ta chọn hệ dẫn động bánh răng hành tinh bởi ưu 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 = 10 được 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 ngược chiều với w2 = wAB. Bây giờ phải tìm các đường kính để đảm bảo ½w1½= ½w2½ 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 Ta có Vo1 = w* O’ là tâm vận tốc của bánh răng O1 trong chuyển động hành tinh. ® Giả sử có O” là 1 điểm thuộc bánh răng O1 có vị trí như hình vẽ. VO” = 2*VO1 = 2*w* Ta chỉ cần tốc độ quay tương đối của bánh răng O1 quanh tâm. WRO1 = Chọn do = 10 mm dO1 = 15 mm wro1 = Ta phân tích và lựa chọn các đường kính còn lại theo như hình bên. 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 trường hợp nguy hiểm nhất là trường hợp cơ cấu kẹp kẹp chi tiết có chiều dày 2dmax = 30. Khi đó P3 = 170 N T = P3*l2*sima = 170*56,25*sin540 = 7736 Nmm Ở đây ta chỉ cần xét yd đảm bảo điều kiện bền Chọn vật liệu là thép 40X có sch = 1400 Mpa Þ [sF] = 0,8*sch = 1120 Mpa Chọn tất cả các bánh răng trong bộ dẫn động có m = 0,5 mm ZA = (răng) Theo đồ thị 10 – 21 chi tiết máy tập 1 với hệ số dịch chỉnh x = 0, z = 15 Þ 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 [sF] yd ³ 1,43*= 0,9 yd = Þ b = dA*yd = 6,75 Þ Chọn b = 7 mm Hệ dẫn động giữa hai trục O’ và O” có một cặp chia đôi bề rộng b’ = = 3,5 mm 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 Vmax cho trước. Đồng thời phải thiết kế các cơ cấu như van tiết lưu, 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 như van tiết lưu, 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. Xylanh Van tiết lưu đầu vào Van điều khiển Van tiết lưu đầu ra Bơm Đồng hồ đo áp Van an toàn Thùng đầu. 1. Sơ đồ nguyên lý: Nguyên lý Ở vị trí bình thường thì pitton luôn ở điểm chết trên bên phải, tay kẹp luôn đóng, tức là con trượt trong van điều khiển như hình vẽ. Khi có dòng điện chạy trong cuộn nam châm điện của van điều khiển sẽ sinh ra lực từ kéo con trượt chuyển động sang trái mở thông dầu qua van tiết lưu 2 vào xylanh đẩy pitton sang trái với tốc độ vm nào đó mà ta có thể điều chỉnh được nhờ van tiết lưu 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 trượt 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 lưu 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 được nhờ điều chỉnh van tiết lưu 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 dư của lò xo trong xylanh. Trong trường hợp có sự cố P vượt 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 trước ta có: Lực đẩy cần tạo PLxmax = 2555 N Chiều dài hành trình công tác: hct = j* = 9,82 mm như vậy ta có vận tốc trung bình 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 trước Dxh = 20 mm Lưu lượng của dầu: Q = p**vo = 6,16*10-6 m3/s = 6,16*10-3 l/s Ta có thể bỏ qua ma sát giữa pitton và thành xylanh bởi chúng rất nhỏ. Ta có phương trình cân bằng lực: PLxmax = P*p* p* áp suất P cần Þ P = = 8,1*106 N/m2 » 81 Dar Tính chiều dày thành xylanh theo điều kiện bền Công thức tính: s = £ [s] [s] : ứng suất cho phép chọn ống thép có [s] = 1,6*108 N/m3 s: chiều dày thành ống. Þ s ³ = 5,06*10-1 m » 0,5 mm chiều dày thành cần rất nhỏ do thép có sức bền cao. Nhưng để đẽ dàng lắp ráp xylanh với tay gắp ta chọn hình dáng kết cấu như sau để đẽ lắp ghép DXl 3. Tính toán các loại van: vì thời gian có hạn hơn nữa hiện tại chúng em chưa 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: 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 máytập 2 ./.