Đồ án Tổng quan về rôbốt

a có: HRi = HRz = (7.15) Hình 7.12 mô tả vị trí trạng thái khi chốt đã lắp vào lỗ. Khi đó trục z của chốt phải trùng với đường trục của lỗ. Vì chốt có hình trụ tròn đối xứng nên phương các trục x và y có thể tuỳ ý. Chọn phương trục x thẳng đứng, tức là giữ nguyên như phương thẳng đứng lúc chốt từ vị trí nằm ở băng tải vừa được nâng lên. Vậy vị trí trạng thái của chốt khi đã được lắp vào chốt có độ sâu là 4 được mô tả bởi ma trận chuyển đổi sau so với HR: Ph = (7.16) Hình 7.13 trang 163 q3 mô tả vị trí bàn kẹp trên chiếc chốt, còn ma trận chuyển đổi sau mô tả vị trí trạng thái của bàn kẹp so với chốt. PG = (7.17) Tiếp theo xác định các ma trận khác từ quan hệ cấu trúc các vị trí thao tác khác nhau của rôbôt như đã được mô tả ở trên. ứng với vị trí P1 (7.5) tức là lúc bàn kẹp hướng tới chốt: ZT6E = PDA Từ đó: PA = P-1 ZT6E (7.18) ứng với giá trị P2 (7.6) tức là lúc bàn kẹp kẹp chặt chốt: ZT6E = PGA (7.19) Từ đó: P = ZT6E PG-1 ứng với giá trị P3 (7.7) tức là lúc nâng chốt: ZT6E = PPD PG Từ đó: PHA = (H HRi)-1 ZT6E PG-1 (7.20) ứng vói vị trí P4: ZT6E = H HRi PHA PG Từ đó: PHA = (H HRi)-1 ZT6E PG-1 (7.21) CHƯƠNG 8 TRUYềN DẫN ĐộNG cơ khí 8.1: Giới thiệu chung. Thiết bị truyền dẫn động (Actuators and Power Transmisson Devices) là phần quan trọng để thực hiện các sơ đồ động của tay máy và là phần quyết định kết cấu của rôbôt. Như đã biết trong các sơ đồ động cơ cấu tay máy rất đa dạng và các loại hình kết cấu tay máy cũng rất phong phú. Tuy nhiên, qua thực tế sử dụng đã dần định hình các xu hướng về loại hình kết cấu rôbôt. Trong kỹ thuật rôbôt hiện đại có hai xu hướng cơ bản về loại hình kết cấu. Xu hướng thứ nhất là rôbôt chuyên dùng để đáp ứng một công việc rất cụ thể trong dây truyền sản xuất và rôbôt chuyên môn hoá trang bị cho một nhóm thiết bị công nghiệp nào đó để thực hiện một loại hình công việc. Các loại rôbôt thường dùng có số bậc tự do không lớn, nhưng lại yêu cầu cao về mức độ thao tác nhanh, về độ chính xác và độ tin cậy. Tuy nhiên lại khó áp dụng khi cần thay đổi các thông số công nghệ. Xu hướng thứ hai là tạo ra các rôbôt đa chức năng để thích nghi với nhiều loại hình công nghệ hoặc với phạm vi thay đổi tương đối rộng các thông số công nghệ. Các loai rôbôt này thường có số bậc tự do cao hơn, cơ động hơn nhưng lại khó đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao. Ngoài ra giá thành chế tạo lại đắt hơn và khi sử dụng tuỳ theo công việc có lúc lại dùng không hết số bậc tự do. Mâu thuẫn trên có thể được khắc phục nếu áp dụng nguyên tắc môdul hoá khi thiết kế rôbôt. Theo đó kết cấu rôbôt gồm các cụm chi tiết máy điển hình có chức năng hoạt động tương đối độc lập, được gọi là các modul. Các modul này có thể được thiết kế, chế tạo chuyên môn hoá đạt được những tính năng kỹ thuật cao với giá thành phải chăng. Khi nối ghép các modul theo nhiều phương án khác nhau có thể tạo ra các kết cấu rôbôt khác nhau. Các rôbôt thiết kế theo kiểu modul hoá được dùng rộng rãi khi tạo dựng các modul sản xuất linh hoạt. Các thiết bị truyền dẫn động là bộ phận chủ yếu để tạo ra các modul kết cấu tay máy. Về nguyên tắc trong kết cấu tay máy có thể dùng hầu hết các thiết bị truyền dẫn động thông thường. Tuy nhiên cũng có những yêu cầu riêng như là gọn nhẹ, linh hoạt, rễ điều khiển, cần triệt tiêu khe hở khi quay đảo chiều…vì vậy trong cơ cấu tay máy thường dùng một số loại thiết bị truyền dẫn động. Dưới đây trình bầy một số loại thiết bị thông thường dùng trong kết cấu tay máy. 8.2: truyền dẫn động cơ khí. Truyền dẫn động cơ khí có rất nhiều loại hình. Chúng được dùng rộng rãi trong kỹ thuật máy nói chung và trong kỹ thuật rôbôt nói riêng. Ngoài những loại truyền dẫn động cơ khí phổ thông ở đây chúng ta đề cập đến một số thiết bị hay dùng trong kỹ thuật rôbôt còn tương đối mới mẻ. 8.2.1: Bộ truyền bánh răng sóng. Bộ truyền bánh răng sóng ( The harmonic drive) khác biệt so với các loại truyền động bánh răng khác ở chỗ nó có một bánh răng mềm truyền sóng biến dạng và nhờ vậy mà truyền được chuyển động quay . Bộ truyền bánh răng sóng gồm 3 bộ phận cơ bản bánh răng mềm1, bánh răng cứng 2 và phần tạo sóng b. Bánh răng mềm có dạng ống vỏ mỏng. Một đầu ống nối với trục quay w1, còn đầu kia được cắt răng với số răng z1, vành răng này được biến.dạng đi một đại lượng 2W0 do cần tạo sóng gây nên. như mô tả trên sơ đồ tiết diện cắt ngang hình vẽ 8.1. Do tác động của cần tạo sóng vành răng mềm từ hình tròn biến dạng thành hình elip. Chu vi vành răng khi biến dạng so với chu vi vành răng khi chưa biến dạng tạo ra hai sóng. Phương a là phương biến dạng lớn, còn phương b là phương biến dạng nhỏ. Đỉnh sóng biến dạng nằm trên phương A, còn đáy sóng biến dạng nằm trên phương B. Tuỳ theo cách tạo sóng, số sóng biến dạng có thể là 1, 2, 3…thông thường là bộ truyền hai sóng và quan hệ số răng giữa bánh răng mềm và bánh răng cứng là Z2 - Z1 = 2. Bộ truyền bánh răng sóng còn dùng để truyền chuyển động qua vạch ngăn kín, cho nên vỏ mỏng một thường làm kín một đầu. Cần tạo sóng dùng để hình thành và truyền sóng biến dạng trên bánh răng mềm. Có thể tạo sóng bằng phương pháp cơ khí, điện từ, khí nén. Theo phương pháp cơ khí có thể dùng hai con lăn, bốn con lăn, đĩa lăn, vòng lăn hoặc cam lăn. Sử dụng truyền động bánh răng. Do có các tính chất nói trên, truyền động bánh răng sóng được dùng chủ yếu ở các bộ truyền có tỷ số truyền cao, các bộ truyền đòi hỏi độ chính xác cao, các cơ cấu có quán tính nhỏ và yêu cầu tác động nhanh trong hệ thống điều khiển tự động, các khớp động trong tay máy. Ngoài ra còn dùng để truyền chuyển động xuyên qua vách ngăn và kín khít đối với môi trường hoá chất hoặc phóng xạ. Trong thân hộp 1 đặt động cơ điện 3 và bộ phận 2 nhận tín hiệu phản hồi liên hệ với trục động cơ bằng các bánh răng 4, 5, 6. Bánh răng 5 gắn liền với trục 10 đấu vào bộ truyên bánh răng sóng. Trục 10 là trục khuỷu, trên đó gắn các đĩa chính để tạo sóng biến dạng cho bánh răng mềm 8. Bánh răng 8 này ăn khớp với bánh răng cứng 7 cố định và gắn với trục đầu ra của bộ truyền bánh răng sóng. 8.2.2: Bộ truyền bánh răng con lăn- cycloid hành tinh. Trong những năm gần đây truyền động bánh răng cycloid lại được quan tâm, nghiên cứu rộng rãi ở các bộ truyền dẫn trong rôbôt. Truyền động này có nhiều ưu điểm như: Đạt được tỷ số truyền cao, gọn nhẹ, độ bền và chính xác đều cao hơn so với nhiều loại truyền động khác. Tuy nhiên lại yêu cầu cao về độ chính xác chế tạo và lắp ráp. Là sơ đồ một hộp giảm tốc bánh răng cycloid hành tinh. Bánh răng b có số răng Z1, bánh răng a có số răng Z2 = Z1 + 1. Khi quay cần h bánh răng vệ tinh b có chuyển động song phẳng và nhờ cơ cấu tay quay d làm cho bánh răng c quay theo. Tỷ số truyền cần quay đến trục của bánh răng c là uHC = -Z1. Đối với hộp giảm tốc một cấp tỷ số truyền đạt tới 87 còn đối với hộp giảm tốc hai cấp hoặc 3 cấp có thể đạt được tỷ số truyền rất cao. Trong bánh răng cycloid hành tinh một bánh răng có răng hình con lăn, còn bánh răng ăn khớp với nó có dạng răng họ đường epicyloid. 8.2.3: Truyền động đai ốc bi. Truyền động vít đai ốc bi (ball screws) được dùng đầu tiên trong cơ cấu tay lái ôtô hãng General motors. Những năm đầu của thập niên 50, Beaver Precision là hãng đầu tiên thiết kế và chế tạo bộ truyền đai ốc bi cho các máy điều khiển số. Ngày nay đã rất nhiều hãng sản xuất bộ truyền vít đai ốc bi, nhiều cải tiến mới và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có kỹ thuật rôbôt. Công dụng chủ yếu của bộ truyện vít đai ốc bi là để biến chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiên. Nhiệm vụ này có thể được thực hiện bằng bộ truyền thanh răng, bánh răng hoặc bộ truyền vít bi đai ốc thường. ở đây ta cho chen vào giữa mặt tiếp xúc của đai ốc và vit me là những viên bi dẫn đến hiệu xuất của bộ truyền đạt giá trị rất lớn. Tuy nhiên diện tiếp tiếp xúc lại bé đi nên khả năng chịu tải thấp hơn. Vì vậy phải chọn lựa quan hệ hợp lý giữa đường kính viên bi và đường kính tiết diện cắt ngang của các dãnh lăn, phù hợp với các điều kiện ứng dụng cụ thể như tốc độ dy chuyển, hiệu ứng màng dầu thuỷ động và kích cỡ bộ truyền. 8.3: ứng dụng truyền động đIện. Truyền động điện được dùng khá nhiều trong kỹ thuật rôbôt, vì có những ưu điểm như điều khiển đơn giản, không phải dùng các bộ biến đổi phụ thêm, không gây bẩn cho môi trường, các loaị động cơ hiện đại có thể lắp trực tiếp trên các khớp quay. Tuy nhiên so với truyền động thuỷ khí thì truyền động điện có tỷ lệ thấp giữa công suất truyền trên một đơn vị khối lượng và thông thường đòi hỏi kèm theo hộp giảm tốc cồng kềnh vì trong tay máy có tốc độ quay rất chậm. Trong kỹ thuật rôbôt về nguyên tắc có thể dùng động cơ điện các loại khác nhau nhưng trong thực tế chỉ có hai loại được dùng nhiều hơn cả đó là động cơ điện một chiều và động cơ bước. Ngày nay do những thành công mới trong nghiên cứu điều khiển động cơ xoay chiều nên cũng có xu hướng chuyển sang sử dụng động cơ xoay chiều để tránh phải trang bị thêm bộ nguồn điện một chiều. Ngoài ra loại động cơ điện một chiều không cổ góp cũng bắt đầu được ứng dụng nhiều. 8.3.1: Động cơ điện một chiều. Khái niệm về động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều gồm có hai phần: a) Stator cố định với các cuộn dây có dòng điện cản hoặc dùng nam châm vĩnh cửu. Phần này còn gọi là phần cảm. Phần cảm tạo nên từ thông trong khe hở không khí. b) Roto với các thanh dẫn. Khi có dòng điện một chiều chạy qua và với dòng từ thông xác định, rôto sẽ quay. Phần này gọi là phần ứng. Do khác nhau khi bố trí dây trên cuộn phần cảm so với phần ứng ta có những loại động cơ điện một chiều khac nhau: - Động cơ kích từ song song. - Động cơ kích từ nối tiếp. - Động cơ kích từ hỗn hợp . Các đại lượng chủ yếu xác định sự làm việc của động cơ một chiều là: U - Điện áp cung cấp của phản ứng. I - Cường độ dòng điện trong phần ứng. R - Điện trở trong của phần ứng. f - Từ thông trong khe hở . E - Sức phản điện động phần ứng . Các quan hệ cơ bản khi làm việc là: E= U - rl = knf (8.1) K phụ thuộc vào đặc tính của dây cuốn và số thanh dẫn tác dụng của phản ứng. Từ (8.1) có các nhận xét sau: - Khởi động E bằng 0 khi mở máy, chỉ có điện trở phần ứng R rất nhỏ hạn chế dòng điện. Vì thế cần phải có biến trở mở máy để duy trì I ở giá trị thích hợp. - Số vòng quay (8.2) Vậy điều chỉnh tốc độ có thể tiến hành bằng cách tác động vào điện áp U hoặc tác động vào từ thông F . - Mô men động C xác định từ phương trình cân bằng công suất. EI = 2p nC (8.3) Kết hợp ta có : (8.4) Điều chỉnh tốc độ động cơ địên một chiều Về phương diện điều chỉnh tốc độ thì động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn hẳn các động cơ khác. Khả năng điều chỉnh tốc độ đễ dàng trong dải động và có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản. Như đã nói ở trên, có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: - Tác động lên từ thông f thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ. - Điều chỉnh điện áp phần ứng . Khi điều chỉnh tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức bằng cách giữ từ thông không đổi và tác động điện áp phần ứng U thì mô men sẽ không đổi còn công suất tăng theo tốc độ. Khi điều chỉnh tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức bằng cách tác động lên từ thông và giữ điện áp phần ứng không đổi thì mô men không đổi còn công suất giảm theo tốc độ. Khi từ thông tiến về 0 thì tốc độ tiến đến vô cùng vì vậy khi không tải động cơ kích từ nối tiếp có tốc độ quá lớn, các loại động cơ kích từ song song hoặc hỗn hợp đều qúa tốc độ nếu cắt mặch từ của nó. Đảo chiều quay Chiều quay của phần ứng phụ thuộc vào chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng và chiều quay của từ trường. Để đổi chiều quay của động cơ điện một chiều cần đổi hoặc chiều của từ thông hoặc chiều của dòng điện phần ứng. 8.3.2: Động cơ bước. Nguyên tắc hoạt động. Đơn giản nhất là động cơ bước loại đơn dùng nam châm vĩnh cửu gồm stator có 4 cực và rotor có hai cực. Nếu cấp điện cho cuộn dây a và a, thì rotor sẽ dừng ở vi trí mà dòng từ qua cuộn là lớn nhất. Nếu cấp điện cho cuôn dây b và b, thì rotor sẽ quay đi ±90° (phụ thuộc vào chiều dòng điện cấp vào). Khi đòng thời cấp điện cho cả hai cuộn dây a và b thì rotor sẽ dừng ở vị trí giữa 0° và 90° và nếu dòng điện vào hai cuộn dây hoàn toàn như nhau thì rotor sẽ dừng ở vị trí. Như vậy vị trí của rotor phụ thuộc vào số cựu được cấp trên stator và chiều của dòng điện cấp vào. Ưu nhược điểm Việc sử dụng chúng trong hệ thống điều khiển có nhiều thuận lợi. - Không cần mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí và vận tốc. - Thích hợp với điều khiển số. Ưu điểm lớn nhất của động cơ bước trong điều khiển vị trí là không cần phản hồi và điều khiển số trực tiếp (ghép nối trực tiếp với máy tính). Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở thành rất thông dụng trong các thiết bị hiện đại như rôbôt công nghiệp, máy công cụ điều khiển số, các thiết bị ngoại vi của máy tính như trong máy in kim, bộ điều khiển ổ đĩa máy vi tính, máy vẽ… Tuy vậy phạm vi ứng dụng của động cơ bước vẫn là ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên cứu nâng công suất của động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay. Ngoài ra nói chung hiệu suất của nó vẫn thấp hơn so với nhiều loại động cơ khác. Các thông số của động cơ bước Góc quay: Động cơ bước quay 1 góc xác định ứng với mice xung kích. Góc bước q càng nhỏ thì độ phân giải càng cao. Số bước s là một thông số quan trọng s = 360°/q. Tốc độ quay và tần số xung Tốc độ quay của động cơ ph ụ thuộc vào số bước trong một giây. Đối với hầu hết các động cơ bước số xung cung cấp cho động cơ bằng số nên tốc độ có thể tính theo tần số xung f. Tốc độ quay của động cơ được tính theo công thức sau. (8.5) Trong đó: n- tốc độ vòng quay (vòng/giây) f- tần số bước. S – số bước. Ngoài ra còn các thông số quan trọng khác như độ chính xác vị trí vị trí, tỷ số mô men và quán tính. Độ chính xác vị trí của động cơ bước phụ thuộc vào đặc tính của động cơ, vào độ chính xác chế tạo. . . vv. Tỷ số truyền mô men và quán tính rôbôt có ảnh hưởng quyết định đến khả năng dừng ngay khi chuỗi xung điều khiển đã ngắt. Các loại động cơ bước. Rôbôt, động cơ bước được chia làm các loại: - Động cơ bước loại trừ biến đổi (VR). - Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM). - Động cơ bước kiểu lai (hybrid). Tùy theo số cuộn dây độc lập trên stator động cư bước được chuia thành các loại: 2 pha, 3pha hoặc 4 pha. Động cơ bước có thể được chia theo cách đấu dây, không liên quan đến đến số pha có các dạng nối dây: a/ 2 pha: 4đầu dây. b/2 6 đầu dây. c/2 pha :8 đầu dây. d/2 : 4 đầu dây. e/4 pha: 8 đầu dây. f/4 pha: 8 đầu dây. Rotor có nhiều cực, còn gọi là răng. Số cực của rotor phối hợp với số cực của stato xác định giá trị góc bước q. Như biểu thức (10.22) có góc bước q băng 3600 chia cho số bước. Góc bước lớn nhất là 900 ứng với động cơ có 4 bước. Phần lớn những động cơ hiện nay có số bước s = 200, nên q = 1,80. Số bước càng lớn, độ phân giải càng cao và định vị càng chính xác. Trong thực tế cũng không thể tăng số bước lên qúa cao. Tuy nhiên, công nghệ tạo bước nhỏ để chia thành 2 nửa bước hoặc từ 10 đến 125 bước nhỏ. Hình 8.1 sơ đồ đấu dây Động cơ bước loại từ trở biến đổi. Rotor của động cơ bước VR làm bằng sắt non có nhiều rằng. Stato cũng có các răng cùng cuôn cảm. Khi dòng điện chạy qua một cuộn cảm trên stator sinh ra một từ trường làm cho răng trên rotor bị hút thẳng hàng với răng tương ứng trên stator. Khi dòng điện được cấp sang một cuộn cảm khác, rotor chuyển dịch một góc. Góc bước của động cơ VR thường là 7,50 hoặc 150. Đặc điểm của động cơ bước VR là do stator sắt non có quán tính nhỏ hơn các loại khác nên cho phép đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên do rotor không có từ trường nên không mô men dư do đó khi ngừng kích thích động cơ sẽ còn quay tự do. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Động cơ bước PM có từ trường trong rotor nên có mô men giữ khi động cơ không kích hoạt. Mỗi răng của từ trường đều hướng trục cực tính làm nam hoặc bắc. Trong kỹ thuật hiện đại rotor được làm ở dạng đĩa mỏng bằng vật liệu từ tính đặc biệt. Đĩa được nhiễm từ đến 50 cặp cực nam- bắc xen lẫn nhau. Một số động cơ bước có từ trường được đưa vào stator để tăng từ trường và tạo mô men lớn hơn. Động cơ bước PM đòi hỏi ít năng lượng kích hoạt hơn các loại động cơ khác. Chúng còn có đặc tính tắt dao động tốt hơn. Góc bước của chúng bao gồm tất cả các bước chuẩn 1,8°; 7,5° ; 15°; 30°; 45° và 90°. Trên hình vẽ là sơ đồ động cơ bước PM 4 pha. Động cơ bước kiểu lai (hyprid). Động cơ bướcc kiểu lai kết hợp các đặc tính của động cơ bước VR và động cơ bước PM. Động cơ bước kiểu lai cá nhiều răng rotor hơn và mô men lớn hơn. Các góc bước thông dụng của động cơ bước kiểu lai là 0,9° và 1,8°. 8.4: Truyền dẫn động thuỷ khí. 8.4.1: Các khái niệm cơ bản. Trong kỹ thuật người máy công nghiệp rất hay dùng các hệ thống truyền dẫn thuỷ lực hoặc khí nén. Trong các hệ thống này năng lượng được truyền đi bằng chất lỏng hoặc chất khí dưới tác dụng của áp lực tạo ra từ các nguồn máy bơm, máy nén. áp suất P của chất lỏng hoặc chất khí có thể hiểu như nội thế năng ep trong một đơn vị thể tích. Thường dùng đơn vị đo là Pascal (Pa) hoặc bar (1 bar = 105pa). Ngoài ra còn phần thế năng eg phụ thuộc độ cao của chất lỏng hoặc chất khí dưới tác dụng của sức hút trọng trường. Tuy nhiên trong tay máy sự thay đổi độ cao này không lớn nên có thể bỏ qua eg. Mặt khác chất lỏng hoặc chất khí chuyển động trong hệ thống với vận tốc u tạo ra một động năng tính trên một đơn vị thể tích là ec = 1/2su2 (s là mật độ). Như vậy có thể xem xét hai nhóm phương pháp biến đổi năng lượng của chất lỏng hoặc của chất khí thành cơ năng: Phương pháp tĩnh và phương pháp động. Đối với các phương pháp động, đều cho rằng thế năng của chất lỏng hoặc chất khí thoạt đầu sẽ biến thành động năng tạo nên sự chuyển dịch với vận tốc nhanh dần. Do vậy tạo nên những hiệu ứng động lực chẳng hạn như tuabin. Trong kỹ thuật người máy công nghiệp các cơ cấu thuỷ khí thường có chuyển động không liên tục, vận tốc thấp và thường gia tăng những lực phanh hãm. Bởi vậy khi khảo sát các truyền động thuỷ khí trong tay máy thường dùng các phương pháp tĩnh. Đối với các phương pháp tĩnh năng lượng được biến đổi trực tiếp từ thế năng của chất lỏng hoặc chất khí. Do vậy có thể tính lực F (hoặc mômen động M) của chất lỏng hoặc chất khí tác động lên phần động của cơ cấu, tỷ lệ với độ chênh lệch áp suất: F = S(P1 – P2) (8.6) M = C(P1 – P2) (8.7) Với S: diện tích; C: thể tích. 8.4.1.1: Các phương trình cơ bản ở chế độ làm việc bình ổn. 1: quy luật bảo toàn khối lượng Theo quy luật này thì khối lượng chất lỏng hoặc chất khí chuyển qua các đoạn ống dẫn chỗ có diện tích S1 với lưu lượng Q1 và chỗ có diện tích S2 với lưu lượng q2 đều như nhau, tức là: s1q1 = s2q2 Bởi vì chất lỏng không nén được nên xem mật độ s1 = s2 = const. Do vậy ta có q1 = q2. Còn đối với chất khí, mật độ chất khí phụ thuộc vào áp suất, bởi thế q1 ạ q2. 2: Quy luật bảo toàn năng lượng. Theo quy luật này đối với chất lỏng lý tưởng không nén được thì trên mỗi đoạn của hệ thuỷ lực (nếu ở đấy không có nguồn bổ xung hệ thêm hoặc nối thất thoát đi) đều có giá trị năng lượng ứng với một đơn vị thể tích là không đổi (phương trình Bernoulli). hoặc là Đối với môi trường chất nén được, nhưng nếu chênh lệch áp suất gây ra nội lực ma sát là không đáng kể thì có thể sử dụng phương trình trên như phép tính gần đúng. 3: Tổn thất năng lượng. Trong thực tế năng lượng của dòng chất lỏng hoặc chất khí không được bảo tồn hoàn toàn vì có tổn thất dọc đường đi hoặc do ma sát với thành ống, hoặc do thay đổi dòng chẩy vv…Năng lượng tổn thất Dp trên mỗi đoạn ống có tiết diện không đổi phụ thuộc vào đặc tính của dòng chẩy: Khi chẩy tầng các đường dòng đều song song với thành ống. Tuy nhiên chất lỏng thực tế có độ nhớt (đặc trưng bằng hệ số nhớt m) cho nên khi chuyển động có xuất hiện nội lực ma sát đó là một phần năng lượng bị biến thành nhiệt. Năng lượng tổn thất này tỷ lệ thuận với lưu lượng: Dp = Rq. Ví dụ đối với ống dẫn hình trụ chiều dài L thì. R = 32mp(L/s2) Khi chẩy rối thì các đường dòng không còn song song với đường ống nữa mà có thể phân bố lung tung quanh một đường trục trung bình nào đó với vận tốc U. Sự va trạm giữa các phần tử chất lỏng (hoặc chất khí) với nhau hoặc với thành ống sẽ sinh nhiệt làm mất mát năng lượng. Năng lượng tổn thất này không phụ thuộc vào hệ số nhớt m mà xác định bởi động năng của dòng chẩy. Dp = 1/2xs(q2/s2) = rq2. Với x là hệ số không thư nguyên. Việc chuyển từ chẩy tầng sang chẩy rối sẽ xẩy ra khi lưu lượng q vượt quá một giá trị q*, ứng với một đại lượng Re không thứ nguyên nào đó, Re gọi là hệ số reynonds. Đối với ống dẫn hình trụ đường kính D: (8.7) 8.4.1.2: Các phương trình cơ bản ở chế độ làm việc chuyển tiếp. 1.Phương trình trạng thái khí. 1Ê k Ê Y (8.8) Phương trình đặc trưng trạng thái nhiệt động của chất khí là phương trình liên hệ giữa mật độ r và áp suất p. Trường hợp k = 1 quá trình là đẳng nhiệt. Khi chất khí chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác một cách chậm chạp thì qua trình trao đổi nhiệt với môi trường hoàn toàn thực hiện được và nhiệt độ của chất khí xem như không đổi. Việc chuyển tiếp đó ứng với điịnh luật Boyle – Matiotte: (8.9) Trường hợp k = Ă qua trình là đoạn nhiệt. Khi chất khí chuyển trạng thái tương đối nhanh thì quá trinh trao đổi nhiệt với môi trường hầu như không cảm thấy. Việc chuyển tiếp đó ứng với định luật Laplace : (8.10) Đối với khí nén Ă @ 1,404. Từ trường hợp chung có thể viết : (8.11) 2: Phương trình lưu lượng: Khảo sát một bình chứa có thể tích V, chịu áp áp suất đồng nhất P. Gọi q1 và q2 là lưu lượng ở dầu vào và đầu ra. Điều kiện bảo tồn khối lượng bên trong bình giữa hai thời điểm t và t + dt có thể biểu diễn dưới dạng: rq1dt – rq2dt = d(rV) = Vdr Từ đó: (8.12) thay vào ta có: (8.13) ở chế độ làm việc bình ổn vế phải của biểu thức se bằng không . 3: Độ chịu nén của chất lỏng. Chất lỏng có thể xem như môi trường không nén được. Tuy nhiên ở nhiệt độ và áp suất nào đó thì mật độ của chất lỏng thay đổi. Có thể đánh giá độ chịu nén của chất lỏng bằng chế độ nén thể tích b. Đặc trưng cho sự thay đổi thể tích tương đối khi áp lực biến đổi một đại lượng dp: (8.14) Vì khi thể tích thay đổi một đại lượng dV thì mật độ r cúng thay đổi một đại lượng dr. (8.15) Gọi modul chịu nén B là hệ số nghịch đảo củab: (8.16) Như vậy thứ nguyên của B trùng với thứ nguyên của áp suất thường B ằ 1500 Mpa. Khi áp suất tăng thì B tăng chậm, còn khi nhiệt độ tăng thì B giảm. Đặc biệt B phụ thuộc vào lượng khí lẫn vào chất lỏng. Trong trường hợp này phương trình lưu lượng có dạng: (8.17) 4: ảnh hưởng do thay đổi hình học: Xét phương trình lưu lượng khi thể tích thay đổi theo thời gian. Ví dụ, thay đổi thể tích chứa trong xylanh do vị trí của piston hoặc trong ống xếp do sự đàn hồi của ống vv … trong các trường hợp đó thì: D(rV) = Vdr + rdV (8.18) Khi thay thế cho biểu thức ta có: (8.19) Gọi là lưu lượng biến dạng. Trong đa số trường hợp thể tích các loại xylanh có quan hệ tuyến tính với độ dịch chuyển hoặc dịch chuyển gócq. V = s (x0 + x) (8.20) Hoặc V = C (q0 + q). (8.21) Do vậy : qd = S (8.22) Hoặc qd = C (8.23) Từ các phương trình trên ta có: (p1 – q2)qd = F (8.24) (p1- p2)qd = M (8.25) 8.5. truyền dẫn động khí nén. 8.5.1: Đặc điểm chung. Dùng khí nén trong hệ truyền dẫn rôbôt có nhiều thuận lợi. Trước hết do các phân xưởng công nghiệp thường có mạng lưới khí nén chung, cho nên đơn giản giản hoa được phần thiết bị nguồn động lực cho rôbôt. Vì khí nén có thể xẩy ra không khí nên đòi hỏi hệ thống đưa khí nén trở lại như đối với dầu ép. Hệ thống truyền dẫn khí nén tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều và không qua nhạy với nhiệt độ khi làm việc. Tuy nhiên, dùng hệ truyền dẫn khí nén cũng không ít nhược điểm. Trước hết là do đặc điểm nén của chất khí nên chuyển động do chúng thực hiện thường kèm theo dao động, không chính xác lúc dừng, nhất là ở vị trí trung gian. Ngoài ra còn dùng biện pháp phun dầu bôi trơn, lọc bị, lọc ẩm và giảm ồn. Modul truyền dẫn động khí nén cho một bậc tự do của cơ cấu tay máy thường bao gồm các bộ phận chủ yếu như động cơ, bộ phận phân phối, bộ phận điều chỉnh vận tốc. Các phần tử và thiết bị khí nén đều được tiêu chẩn hoá. Bảng dưới đây giới thiệu cá phần tử và thiết bị khí nén đều được tiêu chuẩn hoá. Bảng dưới đây giới thiệu các phần tử, thiết bị chủ yếu của hệ thống truyền dẫn động khí nén và các ký hiệu cơ bản. Ngày nay đã có những chung trình máy tính vẽ các phần tử và các mạch khí nén. Dưới đây ta sử dụng các chung. N0 Tên phần tử và thiết bị Sơ đồ 1 Máy nén khí 2 Bơm chân không 3 Động cơ nén khí tốc độ không đổi với một dòng khí 4 Động cơ khí nén tốc độ không đổi với hai dòng khí nén. 5 Động cơ khí nén với thể tích chuyển dịch điều chỉnh được một dòng 6 Động cơ khí nén với thể tích chuyển dịch điều chỉnh được hai dòng khí. 7 Xilanh tác động đơn, chuyển động lùi nhờ lực bên ngoài. 8 Xilanh các động đơn, chuyển động lùi nhờ lò xo. 9 Xylanh tác động kép với piston một đầu cần. 10 Xilanh tác động kép với piston hai đầu cần. 11 Xylanh vi sai với piston hai đầu cần. 12 Xylanh tác động kép hai đầu có gối đệm điều chỉnh được. Các thiết bị đIều chỉnh năng lượng N0 Các van điều khiển hướng Sơ đồ 1 Van dẫn hướng 2/2 thường đóng A P 2 Van dẫn hướng 2/2 thường mở A P 3 Van dẫn hướng 3/2 thường mở A P R 4 Van dẫn hướng 3/2 thường đóng A P R 5 Van dẫn hướng 3/3 ở vị trí giữa đóng A P R 6 Van dẫn hướng 4/2 B A P R 7 Van dẫn hướng 4/3 vị trí giữa đóng B A P R 8 Van dẫn hướng 4/3 Vị trí thả nổi B A P R 9 Van dẫn hướng 5/2 B A R P S 10 Van dẫn hướng 5/3 Vị trí giữa đóng B A R P S N0 Van một chiều Sơ đồ 1 Van khoá không lò xo 2 Van khoá lò xo 3 Van khoá phụ trợ 4 Van con thoi A x y Van xả nhanh x y N0 Van điều áp Sơ đồ 1 Van khống chế áp, điều chỉnh được R 2 Van đặt nối tiếp, điều chỉnh được, có lỗ xả X A 3 Van chỉnh áp không lỗ xả, điều chỉnh được p A 4 Van chỉnh áp, có lỗ xả, điều chỉnh được F R A N0 Van tiết lưu Sơ đồ 1 Van tiết lưu với mức khỗng chế không đổi. 2 Van màng với mức khống chế không đổi 3 Van tiết lưu điều chỉnh được, tác động bất kỳ 4 Van tiết lưu điều chỉnh được, tác động cơ học chống lại lò xo tự hồi ` N0 Van đóng kín (van khoá) Sơ đồ 1 Van đóng kín biểu diễn đơn giản hoá N0 Van tiết lưu với van khoá mắc song song Sơ đồ 1 Van tràn điều chỉnh được 2 Van màng tràn, đều chỉnh được N0 Nguồn truyền năng lượng Sơ đồ 1 Nguồn áp suất 2 Đường làm việc 3 Đường điều khiển 4 ống dẫn mềm 5 Đường điện 6 Điểm nối cố định 7 Các đường giao nhau 8 Điểm xả 9 Lỗ ra không nối ống dẫn N0 Nguồn truyền năng lượng Sơ đồ 10 Lỗ ra có ống dẫn 11 Điểm tiếp nối với áp suất đã đóng 12 Điểm tiếp nối với áp suất có đường nối 13 Khớp nối ngắt nhanh, đã tách, van đóng kín ống dẫn 14 Khớp nối ngắt nhanh đã tách, ống dẫn đóng 15 Thiết bị giảm âm 16 Bình tích khí 17 Bộ lọc 18 Bộ phân ly nước được thao tác bằng tay 19 Bộ phân ly nước thoát nước tự động 20 Bộ phân ly lọc nước tự động 21 Thiết bị sấy 22 Thiết bị bôi trơn 23 Thiết bị phụ trợ (bộ lọc, van chỉnh áp, thiết bị bôi trơn, áp kế) biểu diễn đơn giản hoá 24 Thiết bị làm mát N0 Thiết bị điều khiển bằng tay, chân Ký hiệu 1 Chuông 2 Nút bấm 3 Tay cầm 4 Bàn đạp N0 Điều khiển cơ Ký hiệu 1 Con trượt 2 Lò xo 3 Cần con lăn 4 Cần con lăn tự hồi N0 Điều khiển điện Ký hiệu 1 ống dây 1 cuốn tác dụng 2 ống dây 2 cuốn tác dụng ngược chiều N0 Điều khiển điện Ký hiệu 1 Trực tiếp bằng tràn áp 2 Trực tiếp bằng tràn áp 3 Gián tiếp bằng cấp áp 4 Gián tiếp bằng tràn áp N0 Điều khiển điện Ký hiệu 1 ống dây và van điều khiển 2 ống dây hoặc van điều khiển 3 ống dây và van điều khiển bằng tay có lò xo tự hồi N0 Các ống nối Ký hiệu 1 Các đường làm việc A, B, C… 2 Đường tiếp khí, tiếp nối khí nén P R, S, T… 3 Điểm xả, thảI L 4 Đường điều khiển Z, Y, X 8.5.2: Tính toán và chọn lựa xylanh khí nén. Khi thiết kế hệ thống truyền dẫn khí nén thì xylanh là phần tử cần tính toán nhất. Gọi chung tên gọi là xylanh cho cả hai trường hợp năng lượng khí nén được chuyển thành chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Trường hợp thứ hai còn gọi là xylanh quay hoặc động cơ khí nén. Trong bảng 1.1 có các loại xylanh tác động đơn và xylanh tác động kép. Trong các xylanh tác động đơn, khí nén vào một phía đẩy piston theo chiều ngược lại, trở về vị trí ban đầu với vận tốc đủ nhanh. Hành trình của piston phải nhỏ hơn hoặc bằng chiều dài của lò xo khi chưa bị nén. Các xylanh đơn cũng có nhiều kiểu khác nhau tuỳ theo công dụng. Các loại xylanh đơn dùng chủ yếu kẹp, phun, nén, nâng và cấp liệu…Lớp vật liệu phủ ngoài piston ví dụ như tefton, đảm bảo vừa kín khít, vừa ít ma sát và lâu mòn. Trong các xylanh tác động kép, khí nén có thể đẩy piston chuyển động tịnh tiến và cả chuyển động lùi. Hành trình piston không bị hạn chế nhưng phải tính tới tốc độ uốn võng của cần piston. Xylanh tác động kép của loại piston với một đầu cần hoặc hai đầu cần. Loại hai đầu cần là loại piston kéo dài cả hai phía chạy dọc suốt chiều dài xylanh. Loại này có ưu điểm như : - Lực tác động bằng nhau cả hai chiều chuyển động vì diện tích hữu ích của piston cả hai phía đều như nhau - Có thể chịu được tải ngang nhỏ vì cần piston xem như một trục lắp trên hai ổ tựa. Xylanh tác động kép thường có kết cấu hai đầu có giảm chấn điều chỉnh được. Để tránh va trạm mạnh, nhất là khi dịch chuyển khối lượng lớn, người ta tạo ra những cái đệm ở cuối hành trình. Khi đến vị trí cuối, piston đệm chặn đường ra của khí nén và thay vào đó có một lỗ thoát rất nhỏ đIều chỉnh được. Khí nén ở phần cuối xylanh được nén và thoát ra từ từ qua van tiết lưu một chiều. Vì thế piston chuyển động từ từ đến vị trí tận cùng. Có loại xylanh nối tiếp và xylanh nhiều vị trí. Cơ cấu xylanh tiếp đôi gồm hai xylanh tác động kép ghép nối tiếp nhau thành một khối duy nhât. Khi tác động đồng thời thì lực trên cần piston tăng gấp đôi. Người ta dùng loại xylanh này khi cần lực lớn mà đường kính xylanh bị giới hạn. Hình vẽ 8.1 là sơ đồ cơ cấu xylanh tiếp đôi. Xylanh nhiều vị trí gồm hai hoặc nhiều xylanh tác động kép nối tiếp nhau. Tuỳ theo từng xylanh hoạt động riêng rẽ mà tổ hợp chúng sẽ đạt được nhiều vị trí khác nhau. Với hai xylanh như hình 1.2 có bốn vị trí khác nhau. Loại xylanh nhiều vị trí thường được dùng để phục vụ các cơ cấu phân loại sản phẩm. ở mỗi vị trí ứng với mỗi loại sản phẩm. Để thực hiện nhiều vị trí còn có thể dùng các xylanh lồng tác động đơn hoặc tác động kép. Chúng có kết cấu như là các xylanh lồng vào nhau. Các xylanh có sơ đồ kết cấu tương tự như là một rotor cánh gạt nằm trong một thân hộp chính. Khí nén đưa vào thân hộp làm cho rotor quay. Chuyển động quay có thể tạo từ các xylanh tịnh tiến tác động kép. Trong trường hợp này trên một đầu hoặc một đoạn cần piston được tạo hình như thanh răng hoặc trục vít, ăn khớp với bánh răng hoặc bánh vít. Góc quay có thể thay đổi theo thông số ăn khớp bánh răng. Thường dùng các góc quay 45°, 90°, 180°, 270° đến 720°. Loại này dùng trong các khớp quay của rôbôt, trong cơ cấu đóng mở van. Tính toán lực piston Lực tác động vào piston phụ thuộc vào áp suất khí nén, đường kính trong của xylanh và ma sát ở các bộ phận tiếp xúc động: FL = A.p (8.26) Với FL – lực piston lý thuyết (N) A – Diện tích hứu ích của piston (m2) P - áp suất làm việc (pa) Trong thực tế còn có lực ma sát nên lực piston hữu dụng FN sẽ là: Đối với xylanh công tác đơn: FN = A.p – (Fr + Ff) (8.27) Đối với xylanh tác động kép: Khi tiến: FN = A.p - Fr. (8.28) Khi lùi : FN = A,p – Fr. (8.29) Trong công thức trên (8.30) (8.31) Fr: lực lò xo phản hồi (N). Ff: lực ma sát, thường Ff = (3%-20%)FL. D: đường kính trong của xylanh (m) d: đường kính của piston (m). Vận tốc của piston Vận tốc di chuyển của piston là hàm của áp suất tác động lên bề mặt của piston, lực cản do ma sát giữa piston, mặt trụ trong xylanh và sự giảm chấn cuối hành trình vv… Vận tốc thường thay đổi từ 0,1- 1,5 m/s Tính lưu lượng khí. Có thể dùng các giản đồ lập sẵn của hãng sản xuất để tính lưu lượng khí, hoặc tính theo công thức sau: Đối với xylanh tác động đơn: (8.32) Đối với xylanh tác động kép: (8.33) Trong đó: Q: lưu lượng khí (l/phút) S: hành trình piston (cm) n: số hành trình trong một phút Kp: tỷ số nén Tỷ số nén được tính theo công thức sau. (8.31) 8.4.3: Sơ đồ phương pháp cấu tạo mạch khí nén. Người ta dùng hai phương pháp cấu tạo mạch khí nén: Theo phương pháp thứ nhất các sơ đồ mạch khí nén được cấu tạo chủ yếu dựa trên cơ sở kinh nghiệm với trực giác của người thiết kế. Phương pháp này đòi hỏi tích luỹ kinh nghiệm, phân tích mức độ phù hợp của những sơ đồ tương tự trước đây mà quyết định giải pháp. Trong trường hợp này ảnh hưởng chủ quan của người thiết kế thường không nhỏ. Tuy nhiên, trong thực tế đôi khi các giải pháp như thế là cần thiết và phương pháp vẫn được áp dụng như một phương pháp truyền thống. Theo phương pháp thứ hai, còn gọi là phương pháp “hệ thống tầng” sơ đồ cấu tạo một cách logic. Chỉ khi nào các mạch cơ bản đảm bảo chức năng hoạt động thì mới xem xét đến các yêu cầu khác. Những yêu cầu này được xem xét kết hợp với nhauvà sơ đồ mở rộng từng bước một. 8.6: truyền dẫn động thuỷ lực 8.6.1: Đặc điểm chung. Hệ truyền dẫn thuỷ lực có nhiều ưu điểm, chủ yếu là gọn nhẹ, chịu được tải nặng, quán tính bé. Để thay đổi chuyển động người ta dùng các van điều chỉnh áp lực và lưu lượng, tương đối thuận tiện khi sử dụng. Tuy nhiên chúng cũng có không ít nhược điểm. Trước hết là hệ thuỷ lực luôn luôn đòi hỏi có bộ nguồn bao gồm bơm thuỷ lực, thiết bị lọc, thiết bị điều chỉnh áp suất, thiết bị làm mát, bình tích dầu vv…Ngoài ra hệ thống kiểm tra đường ống, các đường hồi dầu và thùng dầu cũng làm phức tạp thêm cho hệ thiết bị thuỷ lực dùng trong tay máy. Nhiệt độ làm việc có ảnh hưởng đến độ nhớt và áp suất của dầu ép. Nhìn chung, hệ truyền dẫn thuỷ lực trong tay máy vẫn được sử dụng rộng rãi hơn cả, nhất là trong trường hợp tải trọng nặng. Hệ truyền dẫn thuỷ lực dùng trong tay máy có những yêu cầu cao về độ chính xác, ma sát thấp, giảm độ chênh lệch giữa ma sát động và ma sát tĩnh để tăng độ nhạy mối khi ngừng hoặc thay đổi chuyển động, tăng mức điều hoà làm việc nhất là khi chuyển động chậm. Về tốc độ làm việc đòi hỏi phạm vi rộng và nhanh. Về kích thước đòi hỏi gọn nhẹ độ cứng vững cao,vv .. Đối với tay máy truyền dẫn thuỷ lực thường áp dụng hệ điều khiển theo vị trí hoặc theo chu kỳ khép kín. 8.6.2: Truyền động thuỷ lực Xylanh tịnh tiến dùng dầu ép cũng tương tự như xylanh tịnh tiến dùng khí nén, nhưng gọn nhẹ hơn nhiều khi có cùng một cỡ công suất. Trên hình là sơ đồ kết cấu của xylanh thuỷ lực tác động hai phía với hai buồng áp suất p1 và p2. Bởi vì cần piston có tiết diện ngang là nằm về một phía nên tác dụng lên tác dụng vào piston từ hai phía là không đối xứng. F = (S + s)p1 – Sp2 (8.32) Có thể khắc phục nhược điểm đó bằng cách tạo ra cần piston nằm về cả hai phía. Tuy nhiên như thế khi chuyển động cần piston lại chiếm nhiều không gian hơn. Trong trường hợp này. F = S(p1- p2) (8.33) Để lập mô hình hoá cho quá trình hoạt động của xylanh thuỷ lực tác động từ hai phía và đối xứng về hình học, ký hiệu x là toạ độ chuyển dịch của piston tính từ vị trí trung bình, v- vận tốc, 2h- hành trình. Trên cơ sở các biểu thức đã nhận được ở trên ta viết: Phương trình lưu lượng. (8.34) (8.35) Phương trình năng lượng tổn thất từ 8.32 và 8.33 1.0 1.1 Hình 8.1. Sơ đồ mạch khí nén Hình 8.2 Ký hiệu chữ số trên mạch khí nén Khi chẩy tầng: p1- p2 = Rq (8.36) Khi chẩy rối: p1- p2 = rq2 (8.37) Từ 11.11 ta có: qd = Sv (8.38) Phương trình dịch chuyển một khối lượng m với gia tốc dv/dt có lực cản tác dụng Fc và hệ số nhớt động lực j như sau: (8.39) Trên cơ sở (8.22) đến (8.28) dẫn đến hệ phương trình vi phân mô tả quan hệ giữa các biến số về trạng thái bên trong: p1; p2; u; x với các thông số bên ngoài: q1, q2, Fe. (8.40) Để thực hiện các chuyển dịch gốc trong tay máy có thể dùng các loại xylanh tịnh tiến. Ví dụ, xylanh thuỷ lực gắn liền với cơ cấu thanh răng bánh răng hoặc gắn liền với cơ cấu tay quay- thanh truyền hoặc là dùng piston chuyển động song song là các xylanh quay. Phương án hình 11.31, 8.31 a có một cánh gạt tĩnh gắn với hộp hình trụ và một cánh gạt gắn với trục ra. Còn phương án 11.31 b có hai cánh gạt tĩnh và hai cánh gạt động. Trong xylanh này thì góc quay nhỏ hơn một nửa nhưng mômen tạo ra lớn gấp đôi khi có cùng kích thước bên ngoài xylanh. Tương tự như đã làm với xylanh tịnh tiến ta lập mô hình toán đối với xylanh thuỷ lực. (8.41) Với q góc quay của xylanh, 2q0 góc hành trình, w: vận tốc góc, J: mômen quán tình, Mc: mômen cản, C: thể tích chất lỏng khi xylanh quay đi một Radial. Như vậy thể tích trung bình của chất lỏng là Cq0. Để thực hiện chuyển động mà không hạn chế phạm vi góc quay có thể dùng một số thể loại mô tơ thuỷ lực có tác động thuận nghịch vừa là bơm, vừa là mô tơ. Mô tơ thuỷ lực chia thành hai loại: chiều trục và hướng kính. Là một loại mô tơ thuỷ lực nhiều trục có đĩa nghiêng của hàm REXROTH-SIGMA. Trục quay nối liền với block với xylanh. Thường có 7 hoặc 9 lỗ với xylanh dọc theo chiều trục nằm dưới các góc đều nhau trong thân block đó. Các piston chuyển động trong các xylanh tận cùng là các khớp cầu. Các khớp cầu này nằm trong các khối tỳ. Chúng tạo với một đĩa nghiêng thành các ổ đỡ thuỷ tĩnh nhờ các lỗ khoan dẫn dầu xuyên qua các chốt tỳ. Toàn bộ block các xylanh và đĩa nghiêng đều nằm trong một thân hộp chứa các gối tựa của trục quay. áp lực của dầu tác dụng lên piston hướng dọc trục được phân ra hai thành phần: một thành phần thẳng góc với mặt đĩa nghiêng và thành phần kia theo phương tiếp tuyến. Nhờ vậy mà tạo ta mômen quay. Nếu thay đổi góc nghiêng giữa mặt đĩa với trục quay sẽ thay đổi quy luật biến thiên thể tích dầu chứa trong các xylanh ứng với một vòng quay của trục. Mô tơ thuỷ lực hướng kính của hãng SAMM. Trong thân của rôbôt thường chứa 7 hoặc 9 xylanh, trục của chúng đều hướng tâm. Các xylanh được thông với đường dầu áp suất cao hoặc áp suất thấp nhờ ví trí tương đối của mặt phân phối được gia công rất chính xác. Phần đầu của các piston chuyển động trong các xyalnh đó đều có con lăn. Chúng tỳ vào các biên dạng Cam phía trong của stator. Biên dạng có nhiều dạng khác nhau: ở đoạn a xylanh thông với đường dầu áp suất cao đẩy piston tác dụng lên con lăn F. Hợp lực này với phản lực R của biên dạng Cam tác dụng lên con lăn tạo ra lực vòng T. Chính do lực T này có mômen quay của mô tơ. Qua đoạn biên dạng chuyển tiếp b rồi đến đoạn c. Lúc này xylanh được thông với đường dầu áp suất thấp. Tiếp theo là đoạn d chuyển tiếp trung gian và cứ thế chuyển sang một chu kỳ mới lặp lại. Số lượng xylanh và số chu kỳ thay đổi của biên dạng phải chọn sao cho ở bất kỳ vị trí tương đối nào giữa rotor và stator đều có ít nhất một con lăn tiếp giáp ở biên dạng a để đảm bảo cho rotor quay liên tục. 8.6.3: Thiết bị điều khiển thuỷ lực. Đặc tính của van phân phối kiểu con trượt. Trong kỹ thuật tay máy thường gặp loại van phân phối thuỷ lực kiểu con trượt như trên hình 11.35 Tuỳ vị trí của con trượt dịch chuyển trong thân van mà lưu lượng dầu thông vào các buồng được nhiều hay ít. Vì vậy cần chú đến quan hệ hình học giữa con trượt và thân van ở vùng các cửa đường dẫn. Ví dụ: để khảo sát giữa cửa bên phải của van phân phối trên hình 11.35 sẽ xét ba trường hợp sau:a) con trượt khe hở vừa khít khe cửa van; b) đường đặc tính q(u). *Trường hợp 1 (hình 11.36a) – con trượt che vừa cửa van. Gọi u là là thông số biểu thị độ chuyển dịch của con trượt và e là chiều rộng rãnh trên thân van. Nếu e Ê u thì thì lưu lượng qua cửa đạt giá trị lớn nhất q = qM: (8.42) với pa, pb - áp suất ở buồng xilanh; K và G – các hệ số biến đổi. Nếu 0 Ê u 0 Ê e ta có: (8.43) với p = 0.5(Pa+ Pb) - áp lực trong buồng van. Nếu – e Ê u Ê 0 ta có ; (8.44) Nếu u Ê - e thì q = - qM. Từ đó xây dựng đường đặc tính q(u) *Trong trường hợp 2 (hình 11.37 ) – con trượt che cửa van có dư. Lúc này ta có : 1) e + r Ê u đ q = qM = Ge; 2) r Ê u Ê e + r đ q = G(u -r) 3) – r Ê u Ê e +r đ q = 0; 4) – e – r Ê u Ê - r đ q = G(u +r); 5) u Ê - e – r đ q = - qM = - Ge. Đường đặc tính q(u)của trường hợp này biểu thị trên hình (11.37b). *Trường hợp 3 . Con trượt che chưa khít cửa van (lượng thiếu – 2d). Nếu gọi q, là phần lưu lượng từ cửa áp suất cao pa đến buồng đang có áp suất thấp pb, thì lưu lượng hữu dụng q = q, - q” và lưu lượng tổn thất q sẽ bằng q” hoặc q, tuỳ thuộc dấu của q. Ta xét; 1) e – d Ê u đ q’ = qM q” = 0 q = qM q, = 0 2) d Ê u Ê e – d đ G(u + d) q” = 0 q = q, q* = 0 3) – d Ê u Ê + d đ q, = G(u + d) q” = - G(u - d) q = 2Gu, q* ạ 0 4 ) – e + d Ê u Ê - d đ q, = 0 q” = - G(u - d) q = G(u - d) q* = 0 5) u Ê - e + d đ q, = o, q” = +qM, q = - qM. Hệ thống trợ động thuỷ lực. Hệ thống trợ động thuỷ lực có đặc điểm là cơ cấu chấp hành (đầu ra) tái hiện các quy luật chuyển động từ cơ cấu điều khiển (đầu vào), đồng thời luôn luôn giữ liên hệ phản hồi giữa đầu ra và đầu vào. Là sơ đồ hệ thống bán thuỷ lực gồm van phân phối, con trượt và xylanh động. ở đây thân van con trượt gắn liền với thân xylanh động tạo nên một mối liên hệ cần thiết. Khi con trượt ở vị trí trung gian, dầu ép thông qua các khe có tiết diện như nhau và do vậy áp lực trong hai buồng xylanh cũng bằng nhau. Khi dịch con trượt về phía ben này hoặc bên kia so với vị trí trung gian thì áp lực trong hai buồng sẽ chênh lệch nhau làm cho thân xylanh và thân van con trượt đều dịch chuyển. Các thông số dịch chuyển được xác định bởi tỷ lệ diện tích các khe dầu. Tỷ lệ này do vị trí con trượt (so với vị trí trung gian) định đoạt và bản thân vị trí con trượt laị phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển. Tín hiệu điều khiển có thể là tín hiệu điện hoặc tín hiệu cơ …và thường hơn là tín hiệu điện. Vấn đề là độ chính xác định lượng giữa tín hiệu điện và tỷ lệ diện tích các khe dầu vào xylanh. Vì thế xuất hiện nhiều phương pháp khác nhau. Trong đó van trợ động thuỷ lực được quan tâm đặc biệt. Hệ thống trợ động thuỷ lực được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, nhất là trong kỹ thuật tự động hoá quá trình công nghệ. Liên hệ phản hồi giữa đầu ra và đầu vào của hệ thống có thể là liên hệ theo vị trí, theo vận tốc chuyển động, hoặc theo lực tải. Thường dùng hơn cả là liên hệ phản hồi theo vị trí vì nhờ liên hệ này có thể đạt được độ chính xác cao khi tái hiên quy luật điều khiển và độ ổn định chuyển động. tài liệu tham khảo Mục lục trang Lời nói đầu………………………………………………………..5 Chương I. Tổng quan về rôbôt…………………………………………8 1.1.các kháI niệm về rôbôt …………………………………………….8 1.2. Phân loại……………………………………………………... …...9 Phân loại theo hình học không gianhoạt động…………………..9 1.2.1.1. Rôbôt toạ độ vuông góc…………………………….………….9 1.2.1.2. Rôbôt toạ độ trụ………………………………………………..9 1.2.1.3. Rôbôt toạ độ cầu……………………………………………….9 1.2.1.4.Rôbôt khớp bản lề ……………………………………………...9 1.2.2. Phân loại theo thế hệ …………………………………………….9 1.2.2.1. Phân loại theo thế hệ thứ nhất………………………………….10 1.2.2.2. Phân loại theo thế hệ thứ 2………………………………….. …10 1.2.2.3. Phân loại theo thế hệ thứ 3………………………………………10 1.2.2.4. Phân loại theo thế hệ thứ 4………………………………………11 1.2.2.5. Phân loại theo thế hệ thứ 5………………………………………11 1.2.3.Phân loại theo điều khiển ………………………………………….11 1.2.3.1.Phân loại theo điều khiển hở……………………………………..12 1.2.3.2. Phân loại theo điều khiển kín…………………………………….12 1.2.4. Phân loại theo nguồn dẫn động…………………………………….12 1.2.4.1. Theo nguồn cấp đIện ……………………………………………..12 1.2.4.2. Theo nguồn khí nén……………………………………………….12 1.2.4.3. Theo nguồn thuỷ lực ……………………………………………...12 1.3. ứng dụng ……………………………………………………………..12 Mục tiêu của ứng dụng …………………………………………… 12 Các bước ứng dụng ……………………………………………….. 13 Chương II : Cấu tạo chung của rôbôt ………………………………………15 2.Tay máy …………………………………………………………………15 2.1.1.Bậc tự do của tay máy ……………………………………………….15 2.1.2.Tay máy toạ độ vuông góc…………………………………………...15 2.1.3.Tay máy toạ độ trụ …………………………………………………..17 2.1.4.Tay máy toạ độ cầu ………………………………………………….18 2.1.5.Tay máy toạ độ toàn khớp bản lề và scara ………………………18 2.1.6.Cổ tay máy ………………………………………………………….18 2.1.7.Các chế độ hoạt động của tay máy và rôbôt công nghiệp…………...19 Chương III. Cơ sở lựa chọn rôbôt………………………………………………21 3.1. Các thông số kỹ thuật ……………………………………………………..21 3.1.1. Sức nâng của tay máy ……………………………………………………21 3.1.2. Số bậc tự do của phần công tác …………………………………………..22 3.1.3. Vùng cơ công tác ………………………………………………………...22 3.1.4. Độ chính xác định vị …………………………………………………….22 3.1.5. Tốc độ định vị …………………………………………………………….23 3.1.6. Đặc tính của hệ điều khiển ………………………………………………..23 3.1.6.1. Kiểu điều khiển …………………………………………………………23 3.1.6.2. Bộ nhớ …………………………………………………………………..23 3.1.6.3. Giao diện với thiết bị ngoại vi ………………………………………..…23 3.1.6.4. Các tiện ích………………………………………………………………..24 3.2. Thiết kế và tổ hợp …………………………………………………………….24 3.2.1. Các nguyên tắc chung ………………………………………………………24 3.2.1.1. Đảm báo sự đồng bộ của hệ thống…………………..……………………24 3.2.1.2. Xuất phát từ yêu cầu công nghệ …………………………..……………...24 3.2.1.3. Chọn kết cấu điển hình …………………………………………..……….24 3.2.1.4. Đảm bảo sự hoà hợp với môi trường……………………………………...25 3.2.1.5. Sự hoà hợp giữa rôbôt với người dùng……..……………………………...25 3.2.1.6. Thiết kế có định hướng sản xuất ……………….………………………...25 3.2.2. Các công việc phải tiến hành khi thiết kế rôbôt ………..…………………..25 3.2.3. Thiết kế theo phương pháp tổ hợp modul ……………………..……………26 3.3. Một số kết cấu điển hình……………………………………………...………28 3.3.1. Rôbôt cố định trên nền……………………………………….……………..28 3.3.2. Rôbôt cố định trên nền dùng toạ độ cầu……………………………………30 3.3.3. Rôbôt treo …………………………………………………………….……31 3.3.4. Rôbôt cố định thích nghi……………………………………………………31 3.4. Cơ cấu tay kẹp …………………………………………………………….….32 3.4.1. Khái niệm và phân loại……………………………………………………..32 3.4.2. Kết cấu………………………………………………………………….33 3.4.2.1. Tay kẹp cơ khí ………………………………………………………..33 3.4.2.2.Tay kẹp dùng chân không và điện từ ………………………………….35 3.4.2.3. Tay kẹp dùng buồng đàn hồi…………………………………………..35 3.4.2.4. Tay kẹp thích nghi …………………………………………………….35 3.4.3 Phương pháp tính toán tay kẹp …………………………………………..36 3.4.3.1. Tính toán tay kẹp cơ khí……………………………………………….37 3.4.3.2. Tính toán tay kẹp chân không và điện từ……………………………….38 Chương IV: Hệ phương trình động học ………………………………………..38 4.1. Đặt vấn đề………………………………………………………………….38 4.2. Xác định trạng thái của rôbôt tại điểm tác động cuối………………….…..38 4.3. Mô hình động học của dụng cụ …………………………………………….40 4.3.1. Ma trận quan hệ …………………………………………………………..40 4.3.2. Bộ thông số DH …………………………………………………………41 4.3.2. Thiết lâp hệ toạ độ ………………………………………………………41 4.3.4. Mô hình biến đổi ………………………………………………………..42 4.3.5. Mô hình toán đồ chuyển đổi …………………………………………….43 4.4. Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của rôbôt ……………………44 4.5. Mô hình đồ toán chuyển đổi ……………………………………………….47 Chương V. Tổng hợp chuyển động của rôbôt ………………………………….48 5.1. Nhiệm vụ tổng hợp chuyển động của rôbôt ………………………………..48 5.2. Bài toán động học ngược …………………………………………………..48 5.3. Các phương pháp giải các bài toán ngược …………………………………50 5.3.1. Trường hợp n bậc tự do ………………………………………………….50 5.3.2. GiảI bài toán động học ngược của rôbôt stanford………………………..51 Chương VI. Cơ sở điều khiển rôbôt ……………………………………………59 6.1. Khái niệm chung về điều khiển rôbôt …………………………………….59 6.2. Cơ sở điều khiển rôbôt …………………………………………………….61 6.2.1. Thiết kế quỹ đạo …………………………………………………………61 6.2.1.1. Quỹ đạo trong không gian khớp………………………………………..62 6.2.1.2. Quỹ đạo trong không gian công tác ……………………………………62 6.2.2. Điều khiển chuyển động …………………………………………………62 6.2.2.1. Điều khiển trong không gian khớp ……………………………………..62 6.3. Hệ thống điều khiển rôbôt ………………………………………………… 65 6.3.1. Hệ thống chấp hành……………………………………………………….65 6.3.1.1. Hệ thống truyền dẫn cơ khí……………………………………………..66 6.3.1.2. Động cơ …………………………………………………………………66 6.3.1.3. Khuyếch đại công suất…………………………………………………..68 6.3.1.4. Nguồn cung cấp chính…………………………………………………..68 6.3.2. Điều khiển động cơ servo…………………………………………………68 6.3.2.1. Điều khiển động cơ đIện ……………………………………………….68 6.3.2.2. Điều khiển động cơ thuỷ lực ……………………………………………69 6.4. Hệ thống cảm biến…………………………………………………………..70 6.4.1.KháI niệm và phân loại ……………………………………………………70 6.4.2. Nguyên lý làm việc ……………………………………………………….72 6.5. Hệ thống điều khiển …………………………………………………………76 6.5.1. Kiến trúc chức năng……………………………………………………….76 chương VII. Lập trình rôbôt ……………………………………………………..79 7.1. Giới thiệu …………………………………………………………………...79 7.2. Mô tả vật thể và nhiệm vụ ………………………………………………….81 7.2.1.Lập trình làm kiểu mẫu……………………………………………………81 7.2.2. Lập trình hướng đối tượng ………………………………………………..83 7.3. Mô tả vật thể và nhiệm vụ ………………………………………………….83 7.3.1. Mô tả vật thể ……………………………………………………………...83 7.4. Mô tả nhiệm vụ ……………………………………………………………..85 Chương VIII. …………………………………………………………………….88 8.1. Giới thiệu chung ……………………………………………………………88 8.2. Truyền động cơ khí………………………………………………………….89 8.2.1. Bộ truyền bánh răng sóng……… …………………………………….89 8.2.2. Bộ truyền bánh răng con lăn – cycloid hành tinh…………………………90 8.2.3. Truyền vít bi đai ốc………………………………………………………..90 8.3. ứng dụng truyền động đIện …………………………………………………91 8.3.1. Động cơ 1 chiều……………………………………………………………91 8.3.2. Động cơ bước ……………………………………………………………..93 8.4. Truyền động thuỷ khí ……………………………………………………….95 8.4.1. Khái niệm cơ bản………………………………………………………….95 8.4.1.1. Các phương trình cơ bản làm việc ở chế độ bình ổn……………………..96 8.4.1.2. Các phương trình cơ bản làm việc ở chế độ chuyển tiếp………………....98 8.5. Khí nén …………………………………………………………………..…100 8.5.1. Đặc điểm chung. ………………………………………………………...100 8.5.2. Tính toán lựa chọn xylanh khí nén……………………………………….110 8.6. Truyền động thuỷ lực ……………………………………….113 6.1. Đặc điểm chung …………………………………………………113 6.2. Truyền động thuỷ lực ……………………………………………114 6.3. Thiết bị điều khiển ……………………………………………………117 Mục lục ……………………………………………………………………120