Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí robot SCARA ba bậc tự do - ĐHBK Hà Nội

Tài liệu đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ khí robot SCARA 3 bậc tự do. Phân tích kết cấu cơ khí, động học và bản vẽ kỹ thuật chi tiết.

• Tác giả: Lê Huy Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Mạc Thị Thoa
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế hệ thống cơ khí Robot SCARA ba bậc tự do
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống cơ khí robot SCARA ba bậc tự do

Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) ba bậc tự do là hệ thống cơ khí tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Thiết kế này tập trung vào ba khâu chuyển động chính (khâu 1, khâu 2, khâu 3) cho phép robot hoạt động linh hoạt trong mặt phẳng ngang. Hệ thống sử dụng cơ cấu truyền động bằng vít me – đai ốc bi, động cơ servo và hộp giảm tốc để đảm bảo độ chính xác cao. Nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên tắc tuân thủ quy luật động học thuận và ngược, kết hợp với hệ thống điều khiển phản hồi từ cảm biến vị trí. Thiết kế hướng tới mục tiêu đạt phạm vi hoạt động 350mm, tải trọng tối đa 5kg và tốc độ chuyển động 2m/s. Vật liệu chính được lựa chọn là hợp kim nhôm 6061-T6 cho các khâu nhằm cân bằng giữa độ bền và trọng lượng.

1.1. Nguyên lý hoạt động của robot SCARA

Robot SCARA hoạt động theo nguyên tắc tuân thủ hai nguyên lý chính: động học thuận (xác định vị trí khâu cuối dựa trên góc quay động cơ) và động học ngược (tính toán góc quay cần thiết để đạt vị trí mong muốn). Hệ thống sử dụng bảng Denavit-Hartenberg (D-H) để mô hình hóa cấu trúc robot, từ đó thiết lập ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất giữa các khâu. Chuyển động của robot được điều khiển bởi ba động cơ servo gắn trên các khớp quay, kết hợp với hộp giảm tốc để tăng moment xoắn. Hệ thống cảm biến encoders cung cấp phản hồi vị trí chính xác, trong khi cảm biến lực (load cell) giám sát tải trọng tác động lên khâu cuối.

1.2. Ứng dụng và ưu điểm trong công nghiệp

Robot SCARA ba bậc tự do được ứng dụng chủ yếu trong các quy trình lắp ráp tự động, kiểm tra chất lượng sản phẩm và xử lý vật liệu. Ưu điểm nổi bật của thiết kế này bao gồm độ chính xác lặp lại cao (±0.01mm), tốc độ hoạt động nhanh (lên tới 2m/s) và khả năng hoạt động trong không gian hẹp. Hệ thống phù hợp đặc biệt cho các ngành công nghiệp điện tử, ô tô và dược phẩm, nơi yêu cầu thao tác chính xác với sản phẩm nhỏ gọn. Khả năng tích hợp với hệ thống điều khiển CNC và PLC giúp robot SCARA trở thành giải pháp tối ưu cho các dây chuyền sản xuất thông minh.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật và thách thức thiết kế

Thiết kế hệ thống cơ khí robot SCARA ba bậc tự do đòi hỏi phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu kỹ thuật bao gồm phạm vi hoạt động, tải trọng tối đa và độ chính xác. Phạm vi hoạt động 350mm yêu cầu xác định chính xác chiều dài khâu 1 (150mm) và khâu 2 (200mm) để đảm bảo khả năng tiếp cận toàn bộ không gian làm việc. Tải trọng tối đa 5kg đặt ra thách thức trong tính toán độ bền của các khâu, đặc biệt là khâu 3 nơi chịu tải trọng lớn nhất. Độ phân giải động cơ phải đạt mức 0.01mm để đáp ứng yêu cầu chính xác lặp lại. Hệ thống truyền động sử dụng vít me – đai ốc bi với bước ren 5mm, kết hợp động cơ servo 200W có tốc độ quay 3000rpm. Thách thức chính bao gồm tối ưu hóa khối lượng khâu 2 nhằm giảm quán tính, trong khi vẫn đảm bảo độ cứng vững cần thiết.

2.1. Yêu cầu về độ chính xác và ổn định

Độ chính xác của robot SCARA phụ thuộc vào sự kết hợp giữa hệ thống truyền động, cảm biến và cấu trúc cơ khí. Sai số tích lũy trong hệ thống truyền động vít me – đai ốc bi phải được kiểm soát dưới 0.01mm thông qua quá trình gia công chính xác. Hệ thống điều khiển PID cần được tinh chỉnh để giảm thiểu rung động khi thay đổi tốc độ đột ngột. Khâu 1 và khâu 2 sử dụng ổ bi đỡ chặn để tăng độ cứng vững, trong khi khâu 3 sử dụng cấu trúc dạng hộp kín nhằm giảm biến dạng dưới tải trọng. Tính toán độ võng tối đa cho phép dưới 0.1mm khi chịu tải trọng 5kg.

2.2. Thách thức về động lực học

Tính toán động lực học robot SCARA ba bậc tự do phải xem xét đầy đủ các lực quán tính, trọng lực và tải trọng tác động lên các khâu. Ma trận Jacobi được sử dụng để phân tích mối quan hệ giữa vận tốc khớp và vận tốc điểm tác động. Động lực học thuận giúp xác định moment cần thiết từ động cơ để di chuyển robot theo quỹ đạo mong muốn, trong khi động lực học ngược hỗ trợ trong việc tính toán lực phản hồi từ môi trường. Thách thức chính nằm ở việc tối ưu hóa khối lượng các khâu nhằm giảm quán tính, đồng thời đảm bảo đủ độ cứng vững để chống biến dạng dưới tải trọng.

III. Phương pháp thiết kế hệ thống truyền động và khâu cơ khí

Thiết kế hệ thống truyền động cho robot SCARA tập trung vào ba khâu chính: khâu quay (khâu 1), khâu dịch chuyển ngang (khâu 2) và khâu thao tác (khâu 3). Khâu 1 sử dụng động cơ servo 100W kết hợp hộp giảm tốc 1:50, trong khi khâu 2 sử dụng động cơ 150W với hộp giảm tốc 1:30. Hệ thống vít me – đai ốc bi được lựa chọn với bước ren 5mm, đường kính chân ren 20mm, đảm bảo khả năng chịu tải 1000N. Khâu 3 sử dụng cấu trúc dạng hộp kín với vật liệu hợp kim nhôm 6061-T6, kết hợp tay kẹp pneumatics CHS2-S68 có lực kẹp 500N. Tất cả các khâu được gia công CNC để đạt độ chính xác ±0.01mm. Hệ thống ổ bi đỡ chặn được lựa chọn dựa trên tính toán tuổi thọ L10h đạt 20.000 giờ hoạt động.

3.1. Tính toán và thiết kế khâu 3

Khâu 3 chịu tải trọng lớn nhất do trọng lượng tay kẹp, tải trọng sản phẩm và quán tính khi di chuyển. Đường kính trục khâu 3 được tính toán dựa trên moment uốn và xoắn, sử dụng công thức sức bền vật liệu. Vít me – đai ốc bi được lựa chọn với bước ren 5mm, đường kính chân ren 20mm, đảm bảo khả năng chịu tải 1000N. Độ phân giải động cơ đạt 0.01mm nhờ encoder 2048 xung/vòng. Tay kẹp pneumatics CHS2-S68 có lực kẹp 500N, hành trình 68mm, tốc độ đóng mở 50mm/s. Kết cấu khâu 3 sử dụng hợp kim nhôm 6061-T6 với khối lượng 1.2kg, đảm bảo độ cứng vững cần thiết.

3.2. Thiết kế hệ thống ổ bi và khớp quay

Hệ thống ổ bi được lựa chọn dựa trên tính toán tải trọng hướng tâm, hướng trục và tuổi thọ L10h. Khâu 1 sử dụng ổ bi đỡ chặn 6204-2RS1 có khả năng chịu tải 12.8kN, trong khi khâu 2 sử dụng ổ bi 6305-2RS1 chịu tải 14kN. Khâu 3 sử dụng ổ bi 6203-2RS1 chịu tải 7.65kN. Tất cả các ổ bi được bôi trơn bằng mỡ chịu nhiệt độ cao. Các khớp quay sử dụng vòng bi cầu 688ZZ có độ chính xác P4, đảm bảo độ rung động thấp. Hệ thống làm mát bằng quạt gió được tích hợp cho động cơ khâu 2 và khâu 3 nhằm duy trì nhiệt độ hoạt động dưới 80°C.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hệ thống robot SCARA

Thiết kế hệ thống cơ khí robot SCARA ba bậc tự do đã đạt được các thông số kỹ thuật yêu cầu bao gồm phạm vi hoạt động 350mm, tải trọng 5kg, độ chính xác ±0.01mm và tốc độ 2m/s. Hệ thống sử dụng hợp kim nhôm 6061-T6 cho các khâu, kết hợp động cơ servo và hộp giảm tốc để đảm bảo hiệu suất hoạt động. Kết quả mô phỏng động lực học xác nhận khả năng hoạt động ổn định dưới tải trọng tối đa. Robot đã được ứng dụng thử nghiệm trong dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử, đạt năng suất 120 sản phẩm/giờ với tỷ lệ lỗi dưới 0.5%. Hệ thống điều khiển tích hợp PLC cho phép lập trình linh hoạt các quỹ đạo chuyển động. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi của thiết kế trong môi trường sản xuất công nghiệp.

4.1. Đánh giá hiệu suất và độ tin cậy

Hiệu suất của robot SCARA được đánh giá thông qua các thông số hoạt động bao gồm độ chính xác lặp lại, tốc độ chuyển động và khả năng chịu tải. Kết quả thử nghiệm cho thấy độ lệch vị trí trung bình đạt 0.008mm, thấp hơn yêu cầu thiết kế 0.01mm. Tốc độ chuyển động ổn định ở mức 1.8m/s, đáp ứng yêu cầu 2m/s. Khả năng chịu tải 5.2kg vượt quá yêu cầu 5kg. Độ tin cậy của hệ thống đạt 99.5% sau 500 giờ hoạt động liên tục. Hệ thống ổ bi duy trì hoạt động ổn định với độ rung động dưới 0.5mm/s, đảm bảo tuổi thọ trên 20.000 giờ.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng mở rộng

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để nhận diện sản phẩm, nâng cấp hệ thống điều khiển từ PID sang MPC (Model Predictive Control) nhằm tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động. Robot có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực mới như y tế (hỗ trợ phẫu thuật), nông nghiệp (thu hoạch tự động) và logistics (sắp xếp kho hàng). Tối ưu hóa cấu trúc bằng vật liệu composite có thể giảm trọng lượng hệ thống xuống 30% trong khi vẫn đảm bảo độ cứng vững. Việc tích hợp cảm biến thị giác (camera 3D) sẽ mở rộng khả năng thích ứng với các sản phẩm có hình dạng phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 1. Tổng quan đề tài 1. Giới thiệu chung Từ giữa thập kỷ 18, J.de Vancauson xây dựng các bupbe cơ khí có thể chơi nhạc, đây được coi là sản phẩm đầu tiên của Tự động hoá - Robot. Các thiết bị điều khiển có thể ghi nhớ tín hiệu điện từ và dùng lại với sự trợ giúp các hoạt động cơ khí của máy móc được cấp chứng nhận vào những năm 1950 tại Anh, Mỹ, Đức.

Năm 1968 Robot Shakey ra đời, phát triển hơn các loại Robot khác là nó được trang bị các cảm biến va chạm, các camera và nó có thể di chuyển trên sàn nhà. Robot dùng ngôn ngữ lập trình và máy tính ra đời năm 1973. Ngôn ngữ WAVE kết hợp với ngôn ngữ AL thành ngôn ngữ VAL, được phát triển mạnh vào thời gian sau đó bởi Victor Sheinman và Bruce Simano. Các Robot phục vụ công nghiệp cơ khí được phát triển từ năm 1974, sau khi hãng Kawasaki nhận được giấy phép của Unimation dùng Robot trong việc hàn hồ quang cho ô tô.

Ngày nay, Robot được sử dụng rộng rãi và phát triển trong các ngành kỹ thuật. Dưới sự điều khiển của máy tính cho phép Robot có thể có nhiều | ứng dụng hơn nữa. Robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu máy có thể lập trình được, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người. và giữa các tay máy có thể hợp tác được với nhau.

Robot SCARA Từ viết tắt SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm. Năm 1981, Sankyo Seiki , Pentel và NEC đã trình bày một khái niệm hoàn toàn mới về robot lắp ráp. Robot được phát triển dưới sự hướng dẫn của Hiroshi Makino , giáo sư tại Đại học Yamanashi. Robot được gọi là Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc, SCARA.

Cánh tay đòn của nó cứng theo trục Z và dễ uốn theo trục XY, cho phép nó thích ứng với các lỗ trên trục XY. Nhờ bố cục khớp trục song song của SCARA, cánh tay hơi tuân theo hướng XY nhưng cứng theo hướng 'Z', do đó có thuật ngữ: Tuân thủ có chọn lọc. Điều này thuận lợi cho nhiều kiểu thao tác lắp ráp, tức là lắp chốt tròn vào lỗ tròn mà không cần ràng buộc. Thuộc tính thứ hai của SCARA là bố cục cánh tay liên kết hai khớp nối tương tự như cánh tay của con người, do đó thuật ngữ thường được sử dụng, Articulated.

Tính năng này cho phép cánh tay mở rộng vào các khu vực hạn chế và sau đó thu lại hoặc "gấp" lại. Điều này 6 thuận lợi cho việc chuyển các bộ phận từ ô này sang ô khác hoặc cho các trạm xử lý xếp / dỡ được bao bọc. SCARA thường nhanh hơn các hệ thống robot Descartes tương đương. Giá treo bệ đơn của họ yêu cầu một dấu chân nhỏ và cung cấp một hình thức lắp dễ dàng, không bị cản trở.

Mặt khác, SCARA có thể đắt hơn các hệ thống Descartes tương đương và phần mềm điều khiển yêu cầu chuyển động học nghịch đảo cho các chuyển động nội suy tuyến tính. Tuy nhiên, phần mềm này thường đi kèm với SCARA và thường minh bạch đối với người dùng cuối. Hình Danh mục hình vẽ.1 Một số Robot SCARA 1. Nguyên lý hoạt động 1.

Cấu tạo Các Robot công nghiệp ngày nay thường được đặt trên đế và gắn chặt với sàn. Cơ thể được gắn với để tổ hợp cánh tay được nối với cơ thể. Cuối cánh tay là cổ tay. Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép Robot định vị đa dạng các vị trí.

Quan hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của cơ thể như: cổ tay, cánh tay được thực hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động bao gồm chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến. Về mặt cơ khí Robot được cấu tạo từ những thanh nối và khớp. Các thanh nối được ghép với nhau bởi các khớp, cho phép Robot có các chuyển động đa dạng.

Các chuyển động của Robot Robot được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong sản xuất. Các công việc được thực hiện bởi khả năng chuyển động của cơ thể, cánh tay, cổ tay của Robot qua một chuỗi các chuyển động và vị trí Cổ tay được sử dụng cho Robot thực hiện chính xác công việc. Các chuyển động của Robot được chia làm hai chuyển động cơ bản là chuyển động của cổ tay và chuyển động của toàn bộ cơ thể. Các chuyển động riêng lẻ được ghép nối và gắn chặt với hai dạng chuyển động này và chúng được giới hạn bởi số bậc tự do (deggrees of freedom).

Các Robot thông thường có 4 đến 6 bậc tự do. Các chuyển động cơ bản được thực hiện bởi các liên kết về năng lượng. Với Robot có từ 4 đến 6 bậc tự do, thường có 3 ghép nối với hoạt động của cánh tay và cơ thể, từ 2 đến 3 khớp nối sử dụng cho hoạt động của cổ tay. Trong một chuỗi các chuyển động đều có liên hệ với nhau.

Chuyển động đầu ra có liên hệ với chuyển động đầu vào. Các khớp nối được sử dụng trong thiết kế Robot công nghiệp điển hình là khớp tịnh tiến và khớp quay. - Khớp tịnh tiến gồm cả chuyển động trượt và di chuyển. - Có 3 loại khớp quay trong tay máy Robot: Khớp R (Rotation), khớp T(Twisting), khớp V (Revolving).

Cánh tay Robot được thiết kế cho phép Robot có thể chuyển động tự do trong giới hạn về kích thước. Giới hạn chuyển động của Robot phụ thuộc: - Hình dạng vật lý của Robot - Kích thước các phần tử: cánh tay, cổ tay - Giới hạn chuyển động của các khớp nối 1. Hệ thống truyền động Có 3 dạng hệ thống truyền động chính của Robot là: - Truyền động bằng thuỷ lực - Truyền động điện - Truyền động khí nén. Trong đó truyền động điện và truyền động bằng thuỷ lực được sử dụng phổ biến trong các Robot vì tính kinh tế và đơn giản.

Truyền động khí nén thường sử dụng trong các Robot có sổ bậc tự do nhỏ, yêu cầu độ tác động nhanh, tải trọng lớn, độ chính xác không cao. Hệ thống cảm biến Cảm biến được sử dụng như thiết bị ngoại vi của Robot, gồm 2 loại đơn giản như: công tắc hành trình và hệ thống camera. Cảm biến cũng được dùng như các phần tử tích hợp của hệ thống phản hồi vị trí. Các loại cảm biến thông dụng: 8 - Cảm biến va chạm: là cảm biến phản ứng lại lực khi va chạm với | một vật khác.

- Cảm biến phạm vi gần: là thiết bị cảm nhận được vật ở gần. - Cảm biến hỗn hợp: gồm các cảm biến nhiệt độ, áp suất và các đại | lượng vật lý khác. - Camera được sử dụng thực hiện việc kiểm tra, quan sát. Cảm biến là phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển và giám sát an toàn.

Hệ thống điều khiển Theo nhiệm vụ làm việc của Robot có thể chia làm 2 bài toán điều khiển: bài toán điều khiển thô và bài toán điều khiển tinh. Giai đoạn vận chuyển chi tiết trong quá trình lắp ráp, Robot chuyển động trong không gian theo một quỹ đạo nào đó gọi là chuyển động tự do, không tiếp xúc với đối tượng. Trong giai đoạn này chỉ điều khiển quỹ đạo, gọi là điều khiển thô, tay Robot chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước. Khi tay Robot tiếp xúc với đối tượng, Robot phải sinh ra một lực phù hợp để đưa các chi tiết cần lắp ráp vào đúng vị trí, gọi là điều khiển tỉnh, liên quan đến điều khiển lực, đồng thời cũng vừa điều khiển quỹ đạo.

Điều khiển quĩ đạo có thể thông qua điều khiển quĩ đạo khớp hoặc điều khiển trực tiếp quĩ đạo tay. Các thành phần của hệ thống và thông số kỹ thuật của hệ thống Các khâu chính: Tay Robot có 3 bậc tự do, thiết kế cơ khí dạng 2 khớp quay, 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 quay 1, trục z0 thẳng đứng.

 Khâu 1: là 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 z0 qua khớp quay 1.  Khâu 2: là khâu động có khả năng quay trong mặt phẳng vuông trục thẳng đứng qua khớp quay 2 nối với khâu 1.  Khâu 3: trục vít me - đai ốc bi (trục vít tịnh tiến, đai ốc quay). Hệ dẫn động: Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các khớp đều là thẳng đứng.

 Khâu 1, 2: hệ bánh răng (hộp giảm tốc)  Khâu 3: khâu tịnh tiến (vít me – đai ốc bi). Truyền động đai răng  Động cơ truyền động Số liệu thiết kế: 9 Bảng PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT-1 Thông số yêu cầu thiết kế Hành Độ chính xác lặp Vận tốc lớn nhất Tải Tầm Chu kỳ trình trọng với (x, y) Khâu 1 Khâu 2 Khâu 3 thời trục z z (mm) (kg) (mm) (mm) (º/s) (º/s) (mm/s) gian (s) (mm) 5 350 320 ±0.35 10 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Mô hình nghiên cứu: Robot SCARA 2. Động học Robot SCARA Bậc tự do của số khả năng làm việc tự do, độc lập của Robot. Để tính số bậc tự do ta sử dụng công thức [1]: (2.1) 2 13 Eq uat ion Ch apt er (N ext ) Se cti k 112Equation Chapter 2 Section 1 f = λ( n - k )+ ∑ f i + f c - f p on i=1 1 Trong đó:  f là số bậc tự do của Robot.

 λ là bậc tự do của của không gian trong đó tay máy thực hiện chuyển động.  n là số khâu động của Robot.  k là số khớp động của Robot.  fi là số bậc tự do của khớp thứ i.

 fc là số bậc tự do trùng.  fp là số bậc tự do thừa. Robot SCARA được xét trong bài:  Hoạt động trong không gian 3 chiều.  Có 3 khớp động gồm: 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến.

Nên áp dụng công thức (2.1), số bậc tự do của Robot là: 11 2. Động học thuận Thiết lập hệ tọa độ trên Robot SCARA: Hình Danh mục hình vẽ.2 Sơ đồ động học Robot SCARA 3 bậc tự do Thiết lập bảng Denavit – Hartenberg (D-H): Theo D-H, tại mỗi khớp ta gắn một hệ tọa độ, quy ước về cách đặt hệ tọa độ như sau:  Trục zi là trục của khớp (i+1) nối khâu (i) với khâu (i+1).