Thiết kế chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không dùng nguồn dẫn động độc lập luận án

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP PHẠM MẠNH THẮNG THÁI NGUYÊN – 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP Ngành: Công nghệ Chế tạo máy Mã số: 60 52 01 03 Học viên: Phạm Mạnh Thắng Hƣớng dẫn khoa học: Phạm Thành Long Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 1Nguyên - http://www.vn/ THÁI NGUYÊN – 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM TAY KẸP KHÔNG DÙNG NGUỒN DẪN ĐỘNG ĐỘC LẬP Ngành: Công nghệ Chế tạo máy Học viên: Phạm Mạnh Thắng Lớp: CHK14 Hƣớng dẫn khoa học: Phạm Thành Long KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN BAN GIÁM HIỆU KHOA CHUYÊN MÔN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 2Nguyên - http://www.vn/ THÁI NGUYÊN - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Phạm Mạnh Thắng Nơi công tác: Trƣờng Đại Học Công Nghiệp Việt Trì Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tay kẹp không dùng nguồn dẫn động độc lập Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy. Mã số: 60 52 01 03 Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Phạm Mạnh Thắng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 3Nguyên - http://www.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của nhà trƣờng, khoa cơ khí, các thầy cô giáo trƣờng Đại Học Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp.

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Phạm Thành Long và tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Cơ điện tử đã cho những chỉ dẫn quý báu để hoàn thành luận văn này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp của các thày giáo thuộc khoa cơ khí và các đồng nghiệp tại Trƣờng Đại học Công nghiệp Việt Trì đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả tháo gỡ những khó khăn trong thời gian làm luận văn.

Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong muốn sẽ nhận đƣợc những chỉ dẫn từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn nữa trong thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 4Nguyên - http://www.vn/ MỤC LỤC Mục Nội dung Trang Trang phụ bìa luận văn 1 Lời cam đoan 3 Mục lục 5 Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt 7 Danh mục các bảng biểu 8 Danh mục các hình vẽ đồ thị 9 MỞ ĐẦU 11 1. Tính cấp thiết của đề tài 11 2. Mục đích của đề tài 12 3.

Nội dung của đề tài 12 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 12 5. Công cụ nghiên cứu 12 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ BÀN TAY ROBOT 1.1 Chức năng và hình dạng của bàn tay robot 13 1.2 Một số mẫu điển hình trong thiết kế cơ học của bàn tay 15 1.3 Các yêu cầu kỹ thuật với bàn tay robot 18 1.4 Một số kiểu bàn tay có kết cấu và ứng dụng đặc biệt 19 1.5 Một số nghiên cứu về bàn tay robot thiếu dẫn động trên thế giới 25 1.6 Hƣớng nghiên cứu của đề tài 27 CHƢƠNG 2 – THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ BÀN TAY KHÔNG SỬ DỤNG NGUỒN DẪN ĐỘNG 2.1 Chu kì làm việc và phạm vi sử dụng 28 2.2 Lựa chọn cơ cấu chấp hành 29 2.3 So sánh một số phƣơng án tác động điều khiển và duy trì lực kẹp 30 Kết luận chƣơng 2 38 CHƢƠNG 3 – THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU QUAN TRỌNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÀN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 5Nguyên - http://www.vn/ TAY Tính chọn độ cứng của lò xo chính theo tải trọng danh nghĩa của 3.2 Tính chọn độ cứng của lò xo phụ 40 3.3 Tính toán hành trình ngón tay và tổng hợp kích thƣớc cam 41 3.4 Quan hệ chuyển vị ngõ vào – ngõ ra 41 3.5 Quan hệ lực ngõ vào – ngõ ra 53 Kết luận chƣơng 3 53 Kết luận của luận văn 54 Danh mục các công trình đã công bố của tác giả TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 57 Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm 1 67 Hình ảnh sản phẩm thực nghiệm 2 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 6Nguyên - http://www.vn/ BẢNG DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÍ ĐƠN TT DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ HIỆU VỊ 1 a(.) Approach (Véc tơ hƣớng tiếp cận vật thể của bàn kẹp) 2 ai Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục ox (mm) 3 AT Transpose (A) 4 i Góc quay quanh trục ox (rad) 5 Cijk Cos(qi + qj + qk) 6 Sijk Sin(qi + qj + qk) 7 D Miền thỏa mãn các ràng buộc vật lí của các khớp 8 h Chuyển vị của lò xo 9 di Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục oz (mm) 10 0 Tn Phƣơng trình liên kết của robot 11 Ai 1i Biểu diễn của hệ quy chiếu (i) trong hệ quy chiếu (i-1) 12 X Ma trận mô tả đồ gá trong không gian công tác của robot 13 E Ma trận mô tả vật trong không gian đồ gá 14 R Ma trận quỹ tích các điểm mút dụng cụ 15 k Độ cứng của lò xo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 7Nguyên - http://www.vn/ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU KÍ HIỆU NỘI DUNG BẢNG BIỂU TRANG So sánh tính chất làm việc của tay kẹp kiểu điện từ và kiểu khí 1.1 Bảng thông số DH của robot dùng trong thí nghiệm 3.2 Kết quả bài toán ngƣợc tại các điểm keypoint Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 8Nguyên - http://www.vn/ BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ KÍ HIỆU NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRANG 1.1 Bàn tay robot với hai ngón và một đốt trên mỗi ngón tay Bàn tay robot MARS 12 bậc tự do với 6 nguồn dẫn động độc 1.2 lập và thiết kế tiền thân của nó 1.3a Bàn tay với kết cấu cơ khí phỏng sinh tay ngƣời 1.3b Bàn tay với cảm biến xúc giác phỏng sinh tay ngƣời 1.4 Bàn tay hai ngón mở dƣới dạng góc 1.5 Bàn tay hai ngón luôn duy trì độ song song khi làm việc 1.6a Ngón tay ba đốt một nguồn dẫn động quay 1.6b Ngón tay ba đốt một nguồn dẫn động tịnh tiến 1.7 Kết cấu bàn kẹp kiểu hai ngón tay mở song song 1.8a Điều khiển ngón tay với một nguồn tác động 1.8b Điều khiển ngón tay với hai nguồn tác động 1.9 Ba phƣơng án tác động lên khâu chấp hành 1.10 Phƣơng án truyền dẫn công suất giữa hai điểm Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động trên cơ sở thế năng 1.11 đàn hồi Tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động có khả năng duy trì 1.12 trạng thái đóng và mở tách biệt 1.13 Tay kẹp tạo lực ma sát nhờ trọng lực của vật 1.14 Tay kẹp đặc biệt định vị vào mặt trụ trong của chi tiết 1.15 Tay kẹp với phần mỏ kẹp có thể thay thế theo tác vụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái - 9Nguyên - http://www.16 Phƣơng án điều chỉnh kích thƣớc danh nghĩa của tay kẹp Kết cấu của tay kẹp với phạm vi điều chỉnh kích thƣớc danh 1.18 Tay kẹp với hai ngón tay luôn duy trì độ song song 1.19 Một số tay kẹp cơ khí có chức năng tự định tâm vật kẹp 1.20 Tay kẹp sử dụng lực hút chân không và giác bám 1.21 Tay kẹp dùng buồng đàn hồi định vị mặt trụ trong và ngoài 2.1 Mô tả một chu kì làm việc của bàn tay 2.2 Lƣợc đồ nguyên lý tác động điều khiển ngón tay Bản vẽ lắp tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập 2.3 kiểu đồng trục 2.4 Mô tả cam mặt đầu trên ống số 3 2.5 Khai triển lên mặt phẳng cam số 3 2.6 Bản vẽ mô tả cam số 4 2.8 Lƣợc đồ hoạt động trong một chu kì 2.9 Minh họa một chu kì làm việc trên cam 3 chƣa cải tiến 2.10 Cam 3 sau khi cải tiến trùng chức năng Bản vẽ tay kẹp không sử dụng nguồn dẫn động độc lập kết 2.11 cấu không đồng trục 1.12 Chi tiết số 8 2.13 Chi tiết số 9 2.14 Chi tiết số 10 2.15 Lắp ghép cụm dẫn động và duy trì lực kẹp phƣơng án 2 Sơ đồ lực tác dụng lên tay robot khi cổ tay giữ phƣơng thẳng 3.2 Xác định hành trình cam 3.3 Robot 6 bậc tự do khi chƣa mang bàn tay 3.4 Bàn tay đƣợc lắp lên bích cổ tay hoàn chỉnh Sơ đồ động và các hệ quy chiếu suy rộng của robot thí 3.6 Sơ đồ chuyển động của robot giữa hai trạm cấp phôi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 10 - http://www.7 Liên hệ vòng véc tơ 3.8 Hệ quy chiếu đồ gá và hệ quy chiếu vật trên trạm A Mô tả các điểm keypoint của một chu trình vận chuyển giữa 3.9 hai trạm Kết quả bài toán động học ngƣợc giải bằng phƣơng pháp 3.10 GRG tại điểm p2 3.11 Các đồ thị chuyển vị của biến khớp trong một chu trình PHẦN MỞ ĐẦU Luận về tính cấp thiết của đề tài, có thể thấy trong sản xuất công nghiệp nhu cầu về các bàn tay robot phục vụ cho các nguyên công đòi hỏi độ chính xác và linh hoạt cao nhƣ lắp ráp, phân loại, phục vụ máy công tác là rất lớn. Trên thực tế, các bàn tay robot cũng hỗ trợ những ngƣời khuyết tật trong học tập, lao động để họ có cuộc sống bình thƣờng, chẳng hạn bàn tay Bionic.