Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, tự động hóa đóng vai trò trọng yếu nhằm nâng cao năng suất và giảm giá thành sản phẩm. Phần lớn các quy trình truyền thống sử dụng máy công cụ chuyên dùng; tuy nhiên, các hệ thống này có nhược điểm lớn là tính linh hoạt kém, đòi hỏi chi phí cải tạo dây chuyền rất lớn mỗi khi thay đổi mẫu mã sản phẩm. Xu hướng chế tạo và ứng dụng robot công nghiệp ra đời nhằm giải quyết bài toán tự động hóa linh hoạt, cho phép thực hiện nhiều nguyên công phức tạp như chuyển tải vật tư trong dây chuyền, hàn điểm, sơn phun và lắp ráp linh kiện (đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô và điện tử).

Tại Việt Nam, nghiên cứu và làm chủ công nghệ thiết kế robot công nghiệp đang là nhu cầu cấp thiết phục vụ tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Đề tài "Thiết kế hệ thống cơ khí robot SCARA ba bậc tự do" được thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội nhằm thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí cho một robot lắp ráp kiểu SCARA có tải trọng 10 kg và tầm với 600 mm.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 4 phần chính:

  1. Phân tích nguyên lý và xác định thông số kỹ thuật: Khảo sát tổng quan về cấu trúc SCARA, nguyên lý chuyển động, xác định các thành phần dẫn động và thiết lập chỉ tiêu kỹ thuật đầu vào.
  2. Tính toán và thiết kế cơ học: Xây dựng mô hình động học thuận/nghịch, động lực học Lagrange; tính toán sức bền, độ cứng vững và tính chọn động cơ, bộ truyền cho khâu 3 (tịnh tiến Z), khâu 2 (quay), khâu 1 (quay) và khâu 0 (đế cố định).
  3. Thiết kế chi tiết và xây dựng bản vẽ lắp: Thiết lập mô hình hình học 2D/3D, xây dựng bản vẽ kết cấu chi tiết, xác định dung sai lắp ghép và mối liên kết cơ khí.
  4. Mô phỏng nguyên lý hoạt động: Kiểm chứng khả năng làm việc và không gian thao tác của hệ thống.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ cấu cơ khí robot SCARA 3 bậc tự do (cấu hình 2 khớp quay - 1 khớp tịnh tiến, $R-R-P$).
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi tính toán động học, động lực học, tính chọn phần tử dẫn động/truyền động và thiết kế kết cấu cơ khí chi tiết; không đi sâu vào xây dựng mạch điều khiển hay thuật toán điều khiển mềm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án sử dụng hệ thống cơ sở lý thuyết cơ học và phương pháp tính toán kỹ thuật chuyên ngành Cơ điện tử và Chế tạo máy:

  • Lý thuyết biểu diễn động học Denavit-Hartenberg (D-H): Sử dụng ma trận biến đổi thuần nhất $4 \times 4$ ($A_i$) để mô tả quan hệ vị trí và hướng giữa các khâu cơ khí, thiết lập ma trận Jacobi vận tốc $J(q)$ và ma trận gia tốc phục vụ giải bài toán động học thuận và động học ngược.
  • Phương pháp giải tích động học ngược: Xác định quan hệ hình học đóng giữa tọa độ không gian thao tác $(X, Y, Z)$ và tọa độ khớp $(\theta_1, \theta_2, d_3)$ thông qua phép biến đổi lượng giác và hàm $\arctan$.
  • Động lực học hệ nhiều vật (Phương trình vi phân Lagrange loại II): Thiết lập phương trình vi phân chuyển động dạng ma trận $M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + G(q) = \tau$. Động năng ($T$), thế năng ($\Pi$), ma trận quán tính khối tâm ($\Theta_{ci}$), ma trận khối lượng $M(q)$, và ma trận lực Coriolis/ly tâm $C(q,\dot{q})$ được tính toán chi tiết cho từng khâu và tải trọng.
  • Phương pháp nhân biểu đồ Vereshchagin (Sức bền vật liệu): Dùng để tính toán độ võng đàn hồi ($y_M$) của các khâu cần gạt chịu tải uốn không gian, đối chiếu điều kiện cứng vững $[\delta] \le \pm 0,01\text{ mm}$.
  • Phương pháp tính toán tiêu chuẩn chi tiết máy: Áp dụng công thức tính toán và kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc, ứng suất uốn cho bộ truyền vít me – đai ốc bi theo tiêu chuẩn hãng THK; phương pháp tính truyền động đai răng theo tải trọng động; kiểm nghiệm tải trọng động và mô-men xoắn cho hộp giảm tốc sóng (Harmonic Drive) và động cơ Servo Panasonic.
  • Nguồn dữ liệu: Tiêu chuẩn vật liệu cơ khí (Thép CT45, Thép hợp kim 40CrMn, Thép chịu lực 100Cr6); catalogue kỹ thuật từ nhà sản xuất THK (vít me bi), Panasonic (động cơ Minas A6), Harmonic Drive (hộp giảm tốc SHA).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cơ khí của robot SCARA 3 bậc tự do được thiết kế với cấu trúc chuỗi động học hở, các trục quay đều đặt thẳng đứng song song với nhau, khâu thao tác cuối chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng.

Bộ phận / Khâu Cấu trúc & Vật liệu Loại bộ truyền & Tỉ số truyền Động cơ dẫn động Chỉ tiêu độ bền / Cứng vững
Khâu 1 (Cánh tay 1) Chiều dài $a_1 = 250\text{ mm}$, Thép CT45, khối lượng $m_1 = 9,5\text{ kg}$, hai đầu trụ tròn $R = 85\text{ mm}$. Hộp giảm tốc Xyclon / Harmonic Drive, hiệu suất $\mu = 0,9$. Harmonic Drive SHA32A50CG, công suất tính toán $2,296\text{ kW}$. Độ võng $y_M = 0,0029\text{ mm} \le 0,01\text{ mm}$; Ứng suất uốn $\sigma_{\max} = 1,4\text{ MPa} < 120\text{ MPa}$.
Khâu 2 (Cánh tay 2) Chiều dài $a_2 = 350\text{ mm}$, Thép CT45, mặt cắt chữ I, khối lượng $m_2 = 10,5\text{ kg}$ ($12,1\text{ kg}$ gồm động cơ). Hộp giảm tốc Xyclon / Harmonic Drive, hiệu suất $\mu = 0,9$. Harmonic Drive SHA32A50CG, công suất tính toán $2,07\text{ kW}$. Độ võng $y_M = 0,004\text{ mm} \le 0,01\text{ mm}$; Ứng suất uốn $\sigma_{\max} = 0,94\text{ MPa} < 120\text{ MPa}$.
Khâu 3 (Trục Z tịnh tiến) Hành trình $400\text{ mm}$, vít me - đai ốc bi THK NS2020 ($d_0 = 20\text{ mm}$, bước $p = 25\text{ mm}$), thép 40CrMn và 100Cr6. Bộ truyền đai răng mô-đun $m = 1,8$, bản rộng $b = 16\text{ mm}$, tỉ số truyền $u = 1:2$, $Z_1 = 40$, $Z_2 = 30$, khoảng cách trục $a = 134\text{ mm}$. Động cơ Servo AC PANASONIC MINAS A6 MQMF-042-L1S1 ($0,4\text{ kW}$, $1,5\text{ kg}$, $80 \times 80 \times 150\text{ mm}$). Ứng suất tiếp xúc $\sigma_{\max} = 1000\text{ MPa} < [\sigma_{\max}] = 5000\text{ MPa}$; Lực dọc trục cực đại $F_{a\max} = 230,741\text{ N}$.
Khâu 0 (Đế cố định) Thân trụ đứng, Thép CT45, định vị gắn sàn và đỡ toàn bộ tải trọng động của tay máy. Khớp xoay tích hợp cụm ổ đỡ chịu lực dọc trục và mô-men lật. N/A (Khâu thụ động) Kiểm tra ổn định và mô-men uốn tại ngàm chân đế.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ, THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Chương 1 tổng quan về định nghĩa robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm), giới thiệu các dòng robot thương mại tiêu biểu như Denso HM-G và Epson SCARA. Cấu trúc động học thuộc hệ phỏng sinh với vùng làm việc bao quát dạng hình trụ rỗng.

Tác giả xác định tập thông số kỹ thuật thiết kế của hệ thống:

  • Số bậc tự do: 3 bậc tự do (2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến).
  • Tải trọng định mức tại đầu thao tác: $10\text{ kg}$.
  • Tầm với cực đại trong mặt phẳng ngang: $600\text{ mm}$.
  • Hành trình trục $Z$: các dải $200\text{ mm}$, $300\text{ mm}$, $400\text{ mm}$ (chọn $400\text{ mm}$ cho mô hình tính toán lớn nhất).
  • Độ chính xác lặp: $\pm 0,02\text{ mm}$ (mặt phẳng $X-Y$) và $\pm 0,01\text{ mm}$ (trục $Z$).
  • Vận tốc cực đại của các khâu: Khâu 1 quay $450^\circ/\text{s}$ ($75\text{ vòng/phút}$), Khâu 2 quay $667^\circ/\text{s}$ ($111,17\text{ vòng/phút}$), Khâu 3 tịnh tiến $2780\text{ mm/s}$.
  • Vận tốc tổng hợp đầu công tác: $8780\text{ mm/s}$.
  • Chu kỳ thời gian thao tác chuẩn: $0,29\text{ s}$ với mức tải $2\text{ kg}$.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Chương 2 chiếm dung lượng lớn nhất trong đồ án, bao gồm toàn bộ quá trình mô hình hóa toán học và tính toán sức bền:

  • Động học robot:
    • Thiết lập bảng thông số D-H:
      • Khâu 1: góc $\theta_1$, độ dịch chuyển khớp $d_1$, góc nghiêng $\alpha_1 = 0$, chiều dài $a_1 = 250\text{ mm}$.
      • Khâu 2: góc $\theta_2$, độ dịch chuyển $d_2 = 0$, góc nghiêng $\alpha_2 = 0$, chiều dài $a_2 = 350\text{ mm}$.
      • Khâu 3: góc $\theta_3 = 0$, độ dịch chuyển $d_3$, góc nghiêng $\alpha_3 = 0$, chiều dài $a_3 = 0$.
    • Ma trận vị trí điểm thao tác: $r_3 = [a_1 C_1 + a_2 C_{12};; a_1 S_1 + a_2 S_{12};; d_1 + d_3]^T$.
    • Giải hệ phương trình động học ngược giải tích để tìm $(\theta_1, \theta_2, d_3)$ theo tọa độ vị trí đích $(X_3, Y_3, Z_3)$.
  • Động lực học hệ thống:
    • Thiết lập ma trận khối lượng $M(q)$, ma trận Coriolis $C(q,\dot{q})$, và ma trận trọng trường $G(q)$ thông qua việc tính ma trận Jacobi tịnh tiến ($J_{Ti}$) và quay ($J_{Ri}$) cho 3 khâu động và khâu tải ($m_4 = m_t = 10\text{ kg}$).
    • Vector trọng trường $G(q) = [0,; 0,; -(m_3 + m_t)g]^T$.
    • Thành phần lực Coriolis $C_1, C_2, C_3$ được rút gọn phục vụ việc tính toán mô-men tải động tại các khớp.
  • Tính toán thiết kế cơ cấu khâu 3:
    • Lực dọc trục lớn nhất tính toán $F_{a\max} = 230,741\text{ N}$ theo quy luật vận tốc hình thang với thời gian khởi động nhanh.
    • Chọn cơ cấu vít me bi THK mã NS2020: đường kính trong $d_1 = 20\text{ mm}$, bước vít $p = 25\text{ mm}$, số bi làm việc $Z_b = 62$ viên, góc nâng vít $\gamma = 17^\circ$, hiệu suất thực tế $\eta_p = 0,891$.
    • Kiểm tra ứng suất nén/tiếp xúc: $\sigma_{\max} = 1000\text{ MPa} < [\sigma_{\max}] = 5000\text{ MPa}$ (đạt độ bền).
    • Thiết kế bộ truyền đai răng dẫn động đai ốc quay: mô-đun đai $m = 1,8$, bề rộng đai $b = 16\text{ mm}$, số răng đai $z_d = 56$, chiều dài đai $l_d = 351,7\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 134\text{ mm}$.
    • Chọn động cơ Servo AC Panasonic MINAS A6 MQMF-042-L1S1 ($P = 0,4\text{ kW}$, tốc độ quay động cơ $n = 3336\text{ vòng/phút}$).
  • Tính toán thiết kế khâu 2:
    • Kết cấu dầm thép CT45 mặt cắt chữ I ($E = 2,1 \times 10^{11}\text{ N/m}^2$, $\sigma_c = 360\text{ MPa}$).
    • Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ Vereshchagin: độ võng đàn hồi đầu khâu $y_M = 0,004\text{ mm} \le [f_2] = \pm 0,01\text{ mm}$, ứng suất uốn lớn nhất tại ngàm $\sigma_{\max 2} = 0,94\text{ MPa} < 120\text{ MPa}$.
    • Tính toán động lực học theo quy luật vận tốc hình thang với góc quay $q_2 \in [-147^\circ, 147^\circ]$, vận tốc cực đại $w_2 = 10,47\text{ rad/s}$, gia tốc cực đại $\varepsilon_2 = 63\text{ rad/s}^2$.
    • Mô-men xoắn yêu cầu cực đại $T_{2\max} = 148,2\text{ Nm}$, công suất động cơ tính toán $W_{dc2} = 2,07\text{ kW}$.
    • Chọn động cơ kèm hộp giảm tốc Harmonic Drive SHA32A50CG (mô-men cho phép $[T] = 612\text{ Nm}$).
  • Tính toán thiết kế khâu 1:
    • Kết cấu thép CT45 dầm hộp hai đầu trụ tròn $R = 85\text{ mm}$, chiều dài $L_1 = 250\text{ mm}$, khối lượng $m_1 = 9,5\text{ kg}$.
    • Nhân biểu đồ Vereshchagin cho độ võng $y_M = 0,0029\text{ mm} \le [f_1] = \pm 0,01\text{ mm}$, ứng suất uốn $\sigma_{\max 1} = 1,4\text{ MPa} < 120\text{ MPa}$.
    • Quy luật vận tốc hình thang với góc quay $q_1 \in [-165^\circ, 165^\circ]$, vận tốc cực đại $w_1 = 5,93\text{ rad/s}$, gia tốc cực đại $\varepsilon_1 = 19\text{ rad/s}^2$.
    • Mô-men xoắn yêu cầu cực đại $T_{1\max} = 348,5\text{ Nm}$, công suất tính toán $W_{dc1} = 2,296\text{ kW}$.
    • Chọn động cơ Harmonic Drive SHA32A50CG.
  • Tính toán thiết kế khâu 0:
    • Xác định kích thước chân đế cố định và lập biểu đồ mô-men kiểm tra bền kết cấu ngàm trụ đỡ.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ LẮP VÀ MÔ PHỎNG

  • Xây dựng mô hình 3D tổng thể của tay máy robot SCARA trên phần mềm thiết kế cơ khí.
  • Lập bản vẽ lắp cụm tổng thể và bản vẽ chi tiết các khâu 0, 1, 2, 3; lựa chọn dung sai lắp ghép và mối ghép ổ bi đảm bảo độ chính xác lặp $\pm 0,02\text{ mm}$.

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

  • Tổng kết các kết quả tính toán thiết kế đã hoàn thành theo mục tiêu đề ra ban đầu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn việc tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí của robot SCARA 3 bậc tự do với các chỉ số kỹ thuật cụ thể:

Thông số thiết kế Giá trị tính toán Giới hạn cho phép / Tiêu chuẩn chọn Đánh giá kỹ thuật
Độ võng khâu 1 ($y_{M1}$) $0,0029\text{ mm}$ $\le 0,01\text{ mm}$ Đạt độ cứng vững
Ứng suất uốn khâu 1 ($\sigma_{\max 1}$) $1,4\text{ MPa}$ $< 120\text{ MPa}$ Đạt độ bền tĩnh
Mô-men khớp 1 ($T_{1\max}$) $348,5\text{ Nm}$ Chọn Harmonic SHA32A50CG ($[T] = 612\text{ Nm}$) Đạt hệ số an toàn
Độ võng khâu 2 ($y_{M2}$) $0,004\text{ mm}$ $\le 0,01\text{ mm}$ Đạt độ cứng vững
Ứng suất uốn khâu 2 ($\sigma_{\max 2}$) $0,94\text{ MPa}$ $< 120\text{ MPa}$ Đạt độ bền tĩnh
Mô-men khớp 2 ($T_{2\max}$) $148,2\text{ Nm}$ Chọn Harmonic SHA32A50CG ($[T] = 612\text{ Nm}$) Đạt hệ số an toàn
Ứng suất tiếp xúc vít me khâu 3 $1000\text{ MPa}$ $< [\sigma_{\max}] = 5000\text{ MPa}$ Đạt độ bền tiếp xúc
Lực vòng riêng đai răng khâu 3 $3,6\text{ N/mm}$ $< [q] = 10\text{ N/mm}$ Đạt độ bền đai
  • Đóng góp của tác giả:
    • Thiết lập thành công mô hình toán học giải tích hoàn chỉnh (động học thuận/nghịch và động lực học Lagrange) cho robot SCARA có tính đến đầy đủ quán tính khâu và tải trọng $10\text{ kg}$.
    • Kết hợp chặt chẽ giữa tính toán động lực học để xác định mô-men động cơ với việc kiểm tra sức bền uốn, độ cứng vững đàn hồi của kết cấu thân/cánh tay bằng phương pháp Vereshchagin.
    • Lựa chọn đồng bộ hệ thống truyền động công nghiệp chất lượng cao (vít me THK NS2020, động cơ Servo Panasonic MQMF-042-L1S1, động cơ tích hợp giảm tốc Harmonic Drive SHA32A50CG).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nội dung đồ án chỉ dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết, thiết kế cơ khí và mô phỏng hình học; chưa triển khai gia công chế tạo mẫu thực tế (prototype).
    • Chưa xây dựng hệ thống điều khiển tự động (phần cứng mạch driver, cảm biến vị trí/lực và thuật toán điều khiển quỹ đạo vòng kín).
  • Hướng nghiên cứu mở rộng:
    • Tiến hành gia công chế tạo kết cấu cơ khí, lắp ráp cụm cơ khí hoàn chỉnh theo bản vẽ kỹ thuật.
    • Xây dựng tủ điều khiển, tích hợp bộ điều khiển thời gian thực và lập trình điều khiển quỹ đạo chuyển động thực nghiệm để kiểm chứng sai số lặp và chu kỳ làm việc.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này là nguồn tham khảo hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot, Cơ khí chế tạo: Cung cấp phương pháp mẫu mực về trình tự thiết kế một hệ thống robot công nghiệp, từ lập mô hình toán học D-H, giải phương trình Lagrange đến tính chọn chi tiết máy tiêu chuẩn.
  • Kỹ sư thiết kế máy tự động hóa: Có thể tham khảo trực tiếp các bảng tính chọn thông số vít me bi tốc độ cao, bộ truyền đai răng, và phương pháp tính chọn công suất động cơ theo biên dạng chuyển động hình thang.
  • Các đề tài nghiên cứu liên quan đến tay máy SCARA: Cung cấp sẵn hệ phương trình vi phân chuyển động, ma trận khối lượng $M(q)$ và ma trận Coriolis $C(q,\dot{q})$ đã được rút gọn tường minh.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu hình động học của robot SCARA trong đồ án gồm những bậc tự do nào? Robot được thiết kế với 3 bậc tự do gồm 2 khớp quay ($\theta_1$ tại khâu 1, $\theta_2$ tại khâu 2 với các trục quay thẳng đứng song song) và 1 khớp tịnh tiến ($d_3$ tại khâu 3 di chuyển theo phương thẳng đứng $Z$), tạo không gian làm việc dạng hình trụ rỗng.

2. Độ cứng vững của các cánh tay robot được tính toán và kiểm nghiệm bằng phương pháp nào? Độ cứng vững được kiểm nghiệm thông qua độ võng đàn hồi $y_M$ tại đầu cánh tay bằng phương pháp nhân biểu đồ Vereshchagin trong Sức bền vật liệu. Kết quả tính toán cho thấy độ võng khâu 1 là $0,0029\text{ mm}$ và khâu 2 là $0,004\text{ mm}$, đều thỏa mãn điều kiện biến dạng cho phép $[f] \le \pm 0,01\text{ mm}$.

3. Khâu 3 tịnh tiến sử dụng cơ cấu truyền động và động cơ nào? Khâu 3 sử dụng cơ cấu biến đổi chuyển động đai ốc quay - vít me tịnh tiến THK NS2020 ($d_0 = 20\text{ mm}, p = 25\text{ mm}$), dẫn động qua bộ truyền đai răng ($m = 1,8$, tỉ số truyền $1:2$) nối với động cơ AC Servo PANASONIC MINAS A6 mã MQMF-042-L1S1 có công suất $0,4\text{ kW}$.

4. Khớp quay 1 và 2 sử dụng loại động cơ và hộp giảm tốc gì để đáp ứng mô-men xoắn? Khớp 1 chịu mô-men xoắn cực đại $348,5\text{ Nm}$ (công suất $2,296\text{ kW}$) và khớp 2 chịu mô-men xoắn cực đại $148,2\text{ Nm}$ (công suất $2,07\text{ kW}$). Cả hai khâu đều được chọn dùng động cơ tích hợp hộp giảm tốc sóng Harmonic Drive mã SHA32A50CG với mô-men xoắn cho phép đạt $612\text{ Nm}$.

5. Vật liệu chế tạo các khâu cơ khí chính là gì? Khâu 1 và khâu 2 được chế tạo từ thép kết cấu carbon CT45. Trục vít me và bi của khâu 3 sử dụng thép hợp kim 40CrMn (nhiệt luyện đạt độ cứng HRC 53 cho rãnh vít và HRC 63 cho bi), còn đai ốc vít me làm bằng thép chịu lực 100Cr6.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Vũ Hữu Nghĩa dưới sự hướng dẫn của TS. Đặng Thái Việt đã hoàn thành việc thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí robot SCARA 3 bậc tự do với tải trọng $10\text{ kg}$ và tầm với $600\text{ mm}$. Các tính toán động học, động lực học Lagrange cùng việc kiểm nghiệm sức bền và độ cứng vững bằng phương pháp Vereshchagin đều thỏa mãn chặt chẽ các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. Hệ thống truyền động được đồng bộ hóa với các linh kiện tiêu chuẩn công nghiệp như vít me bi THK, động cơ Panasonic và hộp giảm tốc Harmonic Drive, tạo cơ sở khoa học tin cậy cho việc chế tạo thử nghiệm và ứng dụng thực tiễn.