Đây là phần tính toán thực tế nhất trong thiết kế robot, và nó không khó — chỉ cần làm đúng thứ tự và không bỏ sót thành phần nào.
Thu thập dữ liệu đầu vào
Khối lượng cần mang. Bao gồm vật, cơ cấu kẹp, và toàn bộ các khâu phía ngoài khớp đang tính.
Khoảng cách tới trục quay. Ở tư thế duỗi xa nhất.
Góc quay cần. Và tốc độ góc mong muốn.
Thời gian tăng tốc. Từ yêu cầu về thời gian chu kỳ.
Chu kỳ làm việc. Chạy bao nhiêu phần trăm thời gian, nghỉ bao nhiêu. Ảnh hưởng tới nhiệt.
Hướng trục quay. Trục ngang thì có mô-men trọng lực; trục thẳng đứng thì không.
Bắt đầu từ khớp ngoài cùng. Tính xong khớp ngoài thì biết khối lượng của nó, cộng vào tải cho khớp trong. Tính ngược từ trong ra là sai thứ tự và phải làm lại.
Tính mô-men yêu cầu
Thành phần trọng lực. Khối lượng nhân gia tốc trọng trường nhân khoảng cách tới trục. Lớn nhất khi cánh tay nằm ngang.
Thành phần quán tính. Mô men quán tính nhân gia tốc góc. Mô men quán tính của khối lượng tập trung bằng khối lượng nhân bình phương khoảng cách — chú ý là bình phương, nên khoảng cách ảnh hưởng rất mạnh.
Tính gia tốc góc. Từ tốc độ góc mong muốn chia thời gian tăng tốc.
Thành phần ma sát. Khó tính chính xác. Ước lượng bằng mười tới hai mươi phần trăm tổng hai thành phần trên.
Cộng lại. Trường hợp xấu nhất là khi cả trọng lực và quán tính cùng cực đại — tăng tốc lên khi cánh tay nằm ngang.
Nhân hệ số an toàn. Hai là mức thông thường cho robot. Cao hơn nếu tải không chắc chắn hoặc có va đập.
Kết quả. Đây là mô-men cần ở trục khớp, sau hộp số.
Chọn hộp số và động cơ
Tính tốc độ khớp cần. Từ góc quay và thời gian mong muốn.
Tính công suất. Mô-men nhân tốc độ góc. Đây là công suất cơ học tối thiểu ở trục ra.
Cộng tổn hao hộp số. Chia cho hiệu suất. Với hộp số tốt là khoảng tám mươi tới chín mươi phần trăm.
Chọn động cơ đủ công suất. Với dư địa. Xem cả công suất liên tục và công suất đỉnh.
Tính tỷ số truyền. Tốc độ định mức động cơ chia tốc độ khớp cần.
Kiểm mô-men. Mô-men động cơ nhân tỷ số nhân hiệu suất phải lớn hơn mô-men yêu cầu. Nếu không thì cần động cơ lớn hơn hoặc tỷ số cao hơn — nhưng tỷ số cao hơn thì tốc độ giảm, nên phải kiểm lại.
Kiểm giới hạn hộp số. Mô-men định mức, mô-men đỉnh, tốc độ đầu vào tối đa, tải hướng kính và dọc trục cho phép.
Kiểm nhiệt. Mô-men trung bình theo chu kỳ làm việc phải dưới mô-men liên tục của động cơ. Đây là bước hay bị bỏ qua và nó gây cháy động cơ sau vài tuần chạy.
Chọn ổ trục
Xác định tải. Tải hướng kính, tải dọc trục, và mô-men lật. Nhớ rằng ổ trục phải chịu tải này thay cho hộp số.
Chọn loại theo hướng tải. Chỉ hướng kính thì bi cầu hoặc bi đũa. Có dọc trục thì bi côn hoặc bi tiếp xúc góc. Có mô-men lật thì cần hai ổ cách xa nhau hoặc ổ chéo.
Tính tải tương đương. Công thức của nhà sản xuất kết hợp tải hướng kính và dọc trục thành một giá trị.
Tính tuổi thọ. Từ tải tương đương và hệ số tải động của ổ. Cho ra số vòng quay trước khi hỏng do mỏi.
Đổi ra thời gian. Từ tốc độ quay và chu kỳ làm việc. Kiểm xem có đạt tuổi thọ mong muốn không.
Kiểm tải tĩnh. Với ổ quay rất chậm hoặc đứng yên chịu tải, tuổi thọ mỏi không phải giới hạn — giới hạn là biến dạng dẻo do tải tĩnh.
Xét khoảng cách hai ổ. Càng xa càng chống mô-men lật tốt. Đây thường là điều chỉnh hiệu quả nhất khi tải tính ra quá lớn.
Kiểm chứng và điều chỉnh
Lập bảng tính. Với công thức, không tính tay từng lần. Khi đổi một tham số thì mọi thứ tự cập nhật.
Kiểm nhiều tư thế. Không chỉ tư thế xấu nhất. Có khi tư thế trung gian lại gây tải lớn cho một khớp cụ thể.
Kiểm cả trường hợp không tải. Robot không mang gì nhưng chạy nhanh hơn — quán tính có thể là thành phần chính.
Xem lại nếu kết quả bất hợp lý. Động cơ tính ra quá lớn thì thường là do khối lượng quá lớn hoặc cánh tay quá dài. Sửa thiết kế hiệu quả hơn tìm động cơ lớn hơn.
Vòng lặp giảm khối lượng. Động cơ nhỏ hơn thì nhẹ hơn, nên khớp trong cần mô-men ít hơn, nên động cơ trong cũng nhỏ hơn. Lặp lại tính toán vài vòng thường cho kết quả tốt hơn nhiều so với vòng đầu.
Kiểm với thực tế. Sau khi lắp, đo dòng động cơ ở tư thế nặng nhất và so với tính toán. Chênh lệch lớn nghĩa là có giả định sai.
Lưu lại bảng tính cùng dự án. Khi cần nâng tải hoặc đổi cấu hình thì tính lại trong mười phút thay vì làm lại từ đầu.
Câu hỏi thường gặp
Nên tính từ khớp nào trước?
Từ khớp ngoài cùng vào trong. Tính xong khớp ngoài thì biết khối lượng của nó để cộng vào tải cho khớp trong. Tính ngược lại là sai thứ tự.
Vì sao khoảng cách tới trục ảnh hưởng mạnh tới quán tính?
Vì mô men quán tính tỷ lệ với bình phương khoảng cách. Đưa khối lượng vào gần trục một nửa thì quán tính giảm bốn lần.
Bước tính toán nào hay bị bỏ qua nhất?
Kiểm nhiệt — mô-men trung bình theo chu kỳ làm việc phải dưới mô-men liên tục của động cơ. Bỏ qua bước này gây cháy động cơ sau vài tuần chạy.
Nên làm gì khi động cơ tính ra quá lớn?
Xem lại thiết kế thay vì tìm động cơ lớn hơn — thường là do khối lượng quá lớn hoặc cánh tay quá dài. Giảm khối lượng rồi lặp lại tính toán vài vòng.
Đọc thêm trong Lập trình điều khiển và ROS 2 thực hành.
