Luận văn: Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng đồ gá quay hai trục cho robot

Luận văn thạc sĩ trình bày chi tiết thiết kế, tính toán và mô phỏng hoạt động đồ gá quay hai trục cho robot. Tài liệu cho ngành cơ khí chế tạo.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Phú
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Bai Van Hank
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Mô Phỏng Hoạt Động Của Đồ Gá Quay Hai Trục Dùng Cho Robot
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Gá Quay Hai Trục Cho Robot

Đồ gá quay hai trục là thiết bị quan trọng trong hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại. Đây là một thành phần cốt lõi của robot hàn và các ứng dụng chế tạo máy khác. Đồ gá này được thiết kế để thực hiện các chuyển động quay trên hai trục khác nhau, cho phép công cụ hoặc chi tiết workpiece đạt được những vị trí phức tạp.

Nhiệm vụ chính của đồ gá hai trục là cung cấp độ linh hoạt cao trong việc định vị và khớp các chi tiết. So với đồ gá hàn thủ công truyền thống, phiên bản tự động này mang lại hiệu suất cao hơn, độ chính xác tốt hơn, và giảm sai số nhân công. Công nghệ mô phỏng ProEngineer và thiết kế CAD 2D đã cách mạng hóa quá trình phát triển các thiết bị này.

1.1. Chức Năng Và Ứng Dụng Của Đồ Gá Hai Trục

Đồ gá quay hai trục được sử dụng rộng rãi trong robot hàn tự động và các hệ thống gia công. Chức năng chính của nó là cung cấp hai độ tự do quay, cho phép thay đổi góc độ của công cụ hoặc chi tiết. Ứng dụng phổ biến bao gồm hàn tự động, gia công cắt gọt, và lắp ráp. Đồ gá này đòi hỏi tính toán thiết kế chính xác, lựa chọn động cơ servo thích hợp, và hộp giảm tốc chất lượng cao để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

1.2. Đặc Điểm Ưu Việt So Với Các Loại Đồ Gá Truyền Thống

Đồ gá quay hai trục vượt trội hơn đồ gá hàn thủ công về nhiều mặt. Nó cung cấp tự động hóa hoàn toàn, giảm sai số con người, tăng năng suất lên 5-10 lần. Mô phỏng hoạt động trước khi sản xuất giúp phát hiện lỗi sớm. Độ bền và độ chính xác cao hơn nhờ hộp giảm tốc chất lượng và động cơ servo YASKAWA. Chi phí bảo trì cũng thấp hơn do thiết kế kết cấu cơ khí tối ưu.

II. Thiết Kế Và Tính Toán Kết Cấu Cơ Khí

Quá trình thiết kế đồ gá quay hai trục bao gồm nhiều giai đoạn tính toán phức tạp. Lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc là những quyết định quan trọng nhất. Kỹ sư phải xác định thông số đầu vào như mô-men xoắn cần thiết, tốc độ quay, và tải trọng tối đa. Sau đó, thực hiện tính toán thiết kế trục, xác định momen uốn và momen xoắn tác dụng lên mỗi trục. Phần mềm Autocad được sử dụng để vẽ bản vẽ chi tiết 2D, trong khi ProEngineer giúp mô phỏng hoạt động toàn bộ hệ thống. Lựa chọn ổ lăn chất lượng cũng rất quan trọng để đảm bảo độ bền và độ ổn định.

2.1. Lựa Chọn Động Cơ Servo Và Hộp Giảm Tốc

Động cơ servo YASKAWA hoặc tương tự là lựa chọn tối ưu cho đồ gá quay hai trục. Công suất động cơ được tính dựa trên mô-men xoắn yêu cầu và tốc độ quay. Hộp giảm tốc NN120F-225 và NX120F-400 là các mẫu phổ biến, cung cấp tỷ số giảm tốc phù hợp. Quá trình lựa chọn phải xem xét tải trọng tối đa, điều kiện làm việc, và tiêu chuẩn kỹ thuật để đạt hiệu suất tối ưu.

2.2. Tính Toán Và Thiết Kế Trục Quay

Tính toán thiết kế trục đòi hỏi xác định vị trí tính trục, sơ đồ lực tác dụng, và phản lực trên mỗi điểm tựa. Cần phải tính tiểu đồ momen uốn và momen xoắn để xác định đường kính trục thích hợp. Ổ lăn được lựa chọn dựa trên tải trọng động và tĩnh. Quy trình này đảm bảo trục không bị quá tải và có tuổi thọ dài hạn.

III. Mô Phỏng Và Tối Ưu Hóa Hoạt Động

Mô phỏng ProEngineer là công cụ không thể thiếu trong phát triển đồ gá quay hai trục hiện đại. Sau khi hoàn thành thiết kế kết cấu cơ khí, toàn bộ mô hình 3D được nhập vào phần mềm mô phỏng. Tại đây, kỹ sư có thể kiểm tra sơ đồ động học, sơ đồ vận tốc, và tải trọng theo thời gian trên từng trục. Mô phỏng hoạt động cho phép phát hiện các vấn đề như xung đột, quỹ đạo không mong muốn, hoặc quá tải. Dữ liệu từ mô phỏng được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế, điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ quay. Kết quả là sản phẩm cuối cùng hoạt động hiệu quả, an toàn, và đáp ứng mọi yêu cầu kỹ thuật.

3.1. Quy Trình Mô Phỏng Sơ Đồ Động Học

Sơ đồ động học được xây dựng dựa trên kích thước hình học và các thông số động cơ. ProEngineer cho phép mô phỏng chuyển động của mỗi trục riêng biệt và tương tác giữa chúng. Sơ đồ vận tốc được tính toán theo thời gian, giúp xác định tốc độ quay tối đa và tải trọng tại mỗi thời điểm. Quá trình này phải được lặp lại nhiều lần để tối ưu hóa hoạt động và đảm bảo an toàn.

3.2. Kiểm Tra Và Xác Thực Kết Quả Mô Phỏng

Sau mô phỏng, cần kiểm tra momen xoắn trên trục ra của hộp giảm tốc, phản lực tác dụng lên trục, và tiểu đồ momen uốn. So sánh kết quả với thông số kỹ thuật yêu cầu để xác nhận thiết kế. Nếu có vấn đề, điều chỉnh hộp giảm tốc, động cơ servo, hoặc ổ lăn cho đến khi đạt tiêu chuẩn. Hình ảnh hoàn chỉnh từ mô phỏng được lưu lại để tham khảo.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Xu Hướng Phát Triển

Đồ gá quay hai trục cho robot đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành chế tạo máy và tự động hóa công nghiệp. Robot hàn tự động sử dụng đồ gá này để thực hiện các công việc hàn phức tạp với độ chính xác cao. Trong gia công cắt gọt, đồ gá giúp xoay chi tiết theo các góc khác nhau, tối ưu hóa quá trình cắt. Xu hướng thiết kế chế tạo hiện nay hướng tới tự động hóa hoàn toàn, giảm khối lượng nhưng vẫn duy trì độ bền, và tích hợp cảm biến để giám sát hoạt động. Công nghệ mô phỏng ngày càng phổ biến, giúp rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm. Tương lai sẽ thấy các đồ gá thông minh có khả năng tự điều chỉnh theo điều kiện làm việc thay đổi.

4.1. Ứng Dụng Trong Robot Hàn Và Gia Công

Robot hàn tự động sử dụng đồ gá quay hai trục để định vị mỏ hàn hoặc chi tiết workpiece. Độ chính xác của đồ gá ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hàn. Trong gia công cắt gọt, đồ gá cho phép xoay chi tiết sang các góc khác nhau, tối ưu hóa quỹ đạo cắt và giảm thời gian gia công. Động cơ servo và hộp giảm tốc chất lượng cao đảm bảo độ lặp lại cao, đạt ±0.05mm.

4.2. Xu Hướng Và Tiến Bộ Công Nghệ Tương Lai

Xu hướng phát triển hiện tại tập trung vào tự động hóa toàn diện, tích hợp cảm biến thông minh, và hệ thống điều khiển tự thích ứng. Công nghệ AI sẽ cho phép đồ gá tự học và tối ưu hóa hoạt động. Vật liệu composite nhẹ và bền sẽ thay thế thép truyền thống. Mô phỏng cloud-based cho phép hợp tác toàn cầu trong thiết kế. Robot hàn và gia công sẽ trở nên hiệu quả và linh hoạt hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAG TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOL Nguyễn Thanh Phú NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VẢ MÔ PHÒNG HOẠT DONG CUA DO GA QUAY HAI TRUC DUNG CHO ROBOT Chuyên ngành - Chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÁY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Bai Van Hank Ila Néi — Nam 2013. LOI CAM BOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện hiện dang sử dụng (ngoại trừ tật liêu hướng dẫn sử dụng phan mém theo bin demo, tài liệu nướng dẫn sử dụng phản mềm viết bằng tiếng Anh làm tài liệu tham kháo vả những kiến thúc cơ bản trong các tải liệu học tập và nghiên cứu được phép sử dụng) Nôi đung nghiên cứu bao gồm: Thiết kế bộ truyền của đổ gá, lựa chọn phương án và tiết kế kết cáu cơ khi, tuết lập bản vẽ chỉ tiết 2D trên phần mém Autocad, thiét ké hé théng điều khiển đồ gá. Mô phỏng hoạt động của đỏ gá thông, qua phản mềm Proengineer. Kết quả giới thiệu trang bản thuyết mình và ghỉ lại bằng hình ảnh hoàn toàn trimg thực "Tôi xin chịu hoàn toán trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.

Hà Nội, tháng 0 3 năm 2013 Tác giá Nguyễn Thanh Phi 8 MỤC LỤC LOI CAM DOAN. „H HH Hưng is MUC LUC. DANH MỤC HÌNH Vì PHAN MG PAU. CUUGNG 1: TÔNG QUAN VẺ ĐỒ GÁ LIÀN,.1 Nhiệm vụ của đồ gả hàn 12 Dặc điểm của để gá hàn so với để gá gia công cắt gọt 13 143 Các loại dò gáhàn,.3 Xu hướng thiết kẻ chế tạo để gá hiện nay.4 Để ga dùng cho robot hản.

co 255Soscccs ¬ CHƯƠNG 2: TĨNH TOÁN, TIIẾT Kt KET CẤU CƠ KII CỦA DỎ GÁ HAI TRỤC QUAY.1 Thông số đầu vào và hướng thiết kế đồ gá 2.2 Tính toán, lựa chọn động cơ và hộp giảm têc cho dé ga 2.1 Cơ sở lựa chọn động cơ và hộp giảm tóc. 2 Tỉnh chọn đồng cơ và hộp giảm tốc cho trục 2 tà 2. Tỉnh toán chọn động cơ và hộp giãm tốc cho trục 1 bà 2.3 Tỉnh toán, thiết kể trục của đỏ gá.1 Tỉnh toán thiết kế trục 7 2.2 'Tinh toàn thiết kế trục 1.4 Tinh chọnế lăn cho các trục của đồ gá.1 Tinh chọn ó lấn cho trục 2.2 Tinh chon 6 Kin che trục 1. DANH MUC HINH VE Hình L.1 Đô gã hàn thủ công Hình 1.

Đồ gá quay mội trục ứng dung trong hin ong Hình 1. Một số đỗ gà hán tự động. Đỗ gã đí trượt đừng cho robot Hình 1.5 Đô gá quay đúng cho robol. Mộ hình thiết kế sơ bộ của đỗ gá.

a Động cơ servo cia hang YASKAWA ®. Hộp giảm tốc của hãng KUKE: Hình 2.3 Sơ để động học của trục 2. Clu trinh lãi trọng, Hình 2. Mô hình bản quay Hình 2.

Tai trọng trên trục 2. Sơ đỗ vận tốc và tải trong theo thời gian trên trục 2.8 Thông số của hộp giảm tốc NN120F-225. Kich thước của hộp giảm tốc NN120E-225. IEnh đáng hộp giâm tốc NN120F- 225 Hinh 2.

Thông số cơ bản của động cơ Sarvo SGMAV-08A. Thông số kích thước của đông cơ Servo SGMAV-08A.13 Thiết kế sơ bộ u quay giữa và các thông số TRnh 2. Sơ đỗ động học eta trac1 Hình 2. Vị trí mônen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảnm tộc.

Khất lượng và mô men quan tinh tác dựng lên trục 2 Hình 2. Sơ đồ vận lốc và tải trọng thoo thời gian. Các thông số của hộp giảm tốc NX120F- 400. Thông số đông cơ SGMAV-I0A.

Thông số kích thước dộng cơ §GMAV-10A Hình2. Vị trí tính trục và sơ đồ lực tác đụng lên trụe 2. Sơ đỗ tính phản lực tác dựng lên trục 2. se tienrrerrrec Tĩnh 2.

Tiểu đỗ momen uốn và xoắn Hình 2. Sơ đồ tính phản lực tác đụng lên trục 1. Sơ đồ tính phán lực táo dụng lên trục L DANH MUC HINH VE Hình L.1 Đô gã hàn thủ công Hình 1. Đồ gá quay mội trục ứng dung trong hin ong Hình 1.

Một số đỗ gà hán tự động. Đỗ gã đí trượt đừng cho robot Hình 1.5 Đô gá quay đúng cho robol. Mộ hình thiết kế sơ bộ của đỗ gá. a Động cơ servo cia hang YASKAWA ®.

Hộp giảm tốc của hãng KUKE: Hình 2.3 Sơ để động học của trục 2. Clu trinh lãi trọng, Hình 2. Mô hình bản quay Hình 2. Tai trọng trên trục 2.

Sơ đỗ vận tốc và tải trong theo thời gian trên trục 2.8 Thông số của hộp giảm tốc NN120F-225. Kich thước của hộp giảm tốc NN120E-225. IEnh đáng hộp giâm tốc NN120F- 225 Hinh 2. Thông số cơ bản của động cơ Sarvo SGMAV-08A.

Thông số kích thước của đông cơ Servo SGMAV-08A.13 Thiết kế sơ bộ u quay giữa và các thông số TRnh 2. Sơ đỗ động học eta trac1 Hình 2. Vị trí mônen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảnm tộc. Khất lượng và mô men quan tinh tác dựng lên trục 2 Hình 2.

Sơ đồ vận lốc và tải trọng thoo thời gian. Các thông số của hộp giảm tốc NX120F- 400. Thông số đông cơ SGMAV-I0A. Thông số kích thước dộng cơ §GMAV-10A Hình2.

Vị trí tính trục và sơ đồ lực tác đụng lên trụe 2. Sơ đỗ tính phản lực tác dựng lên trục 2. se tienrrerrrec Tĩnh 2. Tiểu đỗ momen uốn và xoắn Hình 2.

Sơ đồ tính phản lực tác đụng lên trục 1. Sơ đồ tính phán lực táo dụng lên trục L DANH MUC HINH VE Hình L.1 Đô gã hàn thủ công Hình 1. Đồ gá quay mội trục ứng dung trong hin ong Hình 1. Một số đỗ gà hán tự động.

Đỗ gã đí trượt đừng cho robot Hình 1.5 Đô gá quay đúng cho robol. Mộ hình thiết kế sơ bộ của đỗ gá. a Động cơ servo cia hang YASKAWA ®. Hộp giảm tốc của hãng KUKE: Hình 2.3 Sơ để động học của trục 2.

Clu trinh lãi trọng, Hình 2. Mô hình bản quay Hình 2. Tai trọng trên trục 2. Sơ đỗ vận tốc và tải trong theo thời gian trên trục 2.8 Thông số của hộp giảm tốc NN120F-225.

Kich thước của hộp giảm tốc NN120E-225. IEnh đáng hộp giâm tốc NN120F- 225 Hinh 2. Thông số cơ bản của động cơ Sarvo SGMAV-08A. Thông số kích thước của đông cơ Servo SGMAV-08A.13 Thiết kế sơ bộ u quay giữa và các thông số TRnh 2.

Sơ đỗ động học eta trac1 Hình 2. Vị trí mônen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảnm tộc. Khất lượng và mô men quan tinh tác dựng lên trục 2 Hình 2. Sơ đồ vận lốc và tải trọng thoo thời gian.

Các thông số của hộp giảm tốc NX120F- 400. Thông số đông cơ SGMAV-I0A. Thông số kích thước dộng cơ §GMAV-10A Hình2. Vị trí tính trục và sơ đồ lực tác đụng lên trụe 2.

Sơ đỗ tính phản lực tác dựng lên trục 2. se tienrrerrrec Tĩnh 2. Tiểu đỗ momen uốn và xoắn Hình 2. Sơ đồ tính phản lực tác đụng lên trục 1.

Sơ đồ tính phán lực táo dụng lên trục L Hinh 2. Biéw dé mémen va kich thude true [. So 46 bé trí 4 lan trén truc 1 - - 63 Hình 2. Thiết kế thân đỗ gá.

Thiết kế ụ quay giữ: Tĩnh 2. Thiết kế bản quay 67 Hinh 2. 'Trục số 2 68 Hình 2. Đỗ gá hai trục quay đã thiết kế 60 Hình 3.

Câu trúc hệ thông điều khiển thông điều khiển - sec 72 Hinh 3. Sơ đồ khối hệ thông điển khiển. Sơ đỗ khôi card điều khiển 4 trục PCI-1202U-AI: 78 Hình 3. Các tin hiệu diểu khiển của PCT-1202U-AE - eos TD Hình 3.

Module điều khiển động cơ. Bo mạch giao tiếp ADAM-3940, - - co Bl Hình 3.7 Sơ đỏ ghép nỗi ADAM-3940 và bộ điều khiến động cơ SGDV. Mặt trước tú điều khiễn. Mặt phải tủ điều khiển 86 Hình 3.

Mặt trái tả điều khiển - - 87 3.5 Thiết kế các chỉ liệt của để gá.6 Kết luận v8 churong 2. oeccccccccccccceessssssssssessseeeee senssssvassssssseessseeesoseeesssesieee 70 CHƯƠNG 3: THIẾT KÉ HỆ THÔNG ĐIÊU KHIÊN 71 3. Yêu cầu điều khiển đồ gá.2, Câu trúc hệ thông điều khiễn. Card diều khiển vị tí PCI-1202L-AE (Master Card).

Module diéu khién dong co AMAX-2243/YS2-AE (Slave Card) 80 3.4, Bo mach giao tip (Interface Board). Hộp vận hành bằng tay - - - 81 3. Hệ truyền động xoay chiều servo. Ghép nói máy tính PC và card PCI-1202U-AR - 83 3.9, Ghép nỗi ALDAM-3940 và bộ điều khiển động cơ SG12V.

Ghép nội bằng điều khiển cảm tay (bandhehl cortrol panel) và bộ điều khiển PCI-1202U-AH, 2 84 3. Kết câu lắp tú điều khiến. oec se s v isetn sin esti sei tse tsie stei nsie 1 BB MO PHONG HOAT BONG CITA BO GA QUAY HAT TRUC - 88 4.1 Giới thiệu phần mềm mô phông Proengineer.1 Giao điện phản mắm Proengineer.2 Chức năng thiết kể chỉ tiết.3 Chức năng lắp ráp chỉ tiết.2 Mô phóng quả trinh hoạt động. cu cseierirerrre sense GI TÀI LIÊU THAM KHẢO - 9 DANH MUC CAC CHU VIET TAT, CAC KY HIEU Tmax, Tp Mémen xofin lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc Nan 8ỏ vòng quay dịnh mức ở dẫu ra hộp giâm tốc.

Nam Mômen xoắn trung binh tác dạng, lên trục ra cũa hộp giám tốc To, Ta Số vòng quay của dộng cơ Nae Bố vòng quay trục Va Tỷ số truyền của các bộ truyền nụ : Hiệu suối truyền động. Tn Tỷ số truyền của hộp giảm tốc age Vận tốc điều khiển trục 2: Vận tốc bàn quay đạt được sau quá trình tăng tốc Gia tốc góc của bản quay Gia tốc góc trên trục ra của hộp giãm tốc Mêmen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tóc. Mêmen xoắn lớn nhất gây ra bởi mômen quản tính. Mêmen xoắn lớn nhất gây ra khi tái trạng đặt lệch tầm quay Mörnen quán tính của vật.

quay Khỏi lượng của chỉ tiết Gia tốc trọng trường Khoảng lệch tâm lớn nhất Vận tốc dầu ra của hộp giảm tóc Ry Wh Van téc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn tăng tốc Nt Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn giảm tốc Ng Số vòng quay trung bình ở đầu ra hộp giảm tốc N, Hinh 2. Biéw dé mémen va kich thude true [. So 46 bé trí 4 lan trén truc 1 - - 63 Hình 2. Thiết kế thân đỗ gá.

Thiết kế ụ quay giữ: Tĩnh 2. Thiết kế bản quay 67 Hinh 2. 'Trục số 2 68 Hình 2. Đỗ gá hai trục quay đã thiết kế 60 Hình 3.

Câu trúc hệ thông điều khiển thông điều khiển - sec 72 Hinh 3. Sơ đồ khối hệ thông điển khiển. Sơ đỗ khôi card điều khiển 4 trục PCI-1202U-AI: 78 Hình 3. Các tin hiệu diểu khiển của PCT-1202U-AE - eos TD Hình 3.

Module điều khiển động cơ. Bo mạch giao tiếp ADAM-3940, - - co Bl Hình 3.7 Sơ đỏ ghép nỗi ADAM-3940 và bộ điều khiến động cơ SGDV.