nghiên cứu tính toán thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang almega aii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY




NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG CHO
ROBOT HÀN HỒ QUANG ALMEGA AII








NGUYỄN THỊ BÍCH NGẦN

THÁI NGUYÊN, 2011


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

2
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




NGUYỄN THỊ BÍCH NGẦN



NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG CHO
ROBOT HÀN HỒ QUANG ALMEGA AII

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT





















HƯỚNG DẪN KHOA HỌC




PGS.TS. Phan Bùi Khôi
HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Bích Ngần
KHOA ĐÀO TẠO SĐH





BGH TRƯỜNG ĐHKTCN




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

3
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi tự làm và nghiên cứu, dưới
sự hướng dẫn của PGS.TS Phan Bùi Khôi viện trưởng viện cơ khí ĐHBK
Hà Nội.
Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu
trong phần tài liệu tham khảo.
Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.
Người cam đoan
Tác giả

Nguyễn Thị Bích Ngần







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

4
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
DANH MỤC CÁC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
LỜI NÓI ĐẦU
CHƢƠNG I 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT Error! Bookmark not defined.
1.1 Giới thiệu tổng quan về Robot Error! Bookmark not defined.
1.2 Robot công nghiệp và ứng dụng Error! Bookmark not defined.
1.3 Robot hàn hồ quang Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2. 11
TÍNH TOÁN MÔ HÌNH Error! Bookmark not defined.
2.1 Cơ sở tính toán khảo sát Robot Error! Bookmark not defined.
2.1.1 Biểu diễn điểm trong không gian Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Ma trận cosin chỉ hướng, ma trận quay Error! Bookmark not
defined.

2.1.3 Vị trí, hướng của vật rắn Error! Bookmark not defined.
2.1.4 Phép biến đổi tọa độ thuần nhất Error! Bookmark not defined.
2.1.5 Phương pháp Denavit- Hartenberg (D-H) Error! Bookmark not
defined.
2.2 Thiết lập phƣơng trình động học robot Error! Bookmark not
defined.
2.2.1 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học
Error! Bookmark not defined.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

5
2.2.2 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác Error!
Bookmark not defined.
2.2.3 Phương trình động học robot Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Bài toán động học thuận về vị trí của robot . Error! Bookmark not
defined.
2.2.5 Bài toán động học ngược về vị trí của robot Error! Bookmark not
defined.
2.3 Bài toán động học robot hàn Almega AII khi vật hàn cố định
Error! Bookmark not defined.
2.4 Động học robot hàn Almega AII khi vật hàn gắn trên đồ gá di động
Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3. 48
THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT
HÀN ALMEGA AII Error! Bookmark not defined.
3.1 Thiết kế đồ gá di động Error! Bookmark not defined.
3.1.1 Công dụng của đồ gá Error! Bookmark not defined.
3.1.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc động học cho đồ gá Error! Bookmark
not defined.
3.1.3 Mẫu mô hình đồ gá Error! Bookmark not defined.

3.2 Tính toán thiết kế các bộ truyền động Error! Bookmark not
defined.
3.2.1 Lựa chọn động cơ Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Tính toán bộ truyền cho đồ gá Error! Bookmark not defined.
3.2.3 Tính chọn ổ Error! Bookmark not defined.
3.2.4 Phân tích lựa chọn phôi Error! Bookmark not defined.
3.2.5 Phân tích công nghệ trong kết cấu chi tiết Error! Bookmark not
defined.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

6
3.2.6 Mô hình bản vẽ lắp 3D và bảng kê các chi tiết chính của đồ gá
Error! Bookmark not defined.
3.2.7 Kiểm nghiệm độ bền của đồ gá bằng phần mềm COSMOSWorks
Error! Bookmark not defined.
3.3 Mô phỏng hoạt động của robot hàn Almega AII Error! Bookmark
not defined.
3.3.1 Phần mềm ứng dụng Error! Bookmark not defined.
3.3.2 Chương trình mô phỏng Error! Bookmark not defined.
3.3.3 Giao diện chương trình và ứng dụng Error! Bookmark not
defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH


Stt

Ký hiệu
Mô tả

1
D-H
Denavit and Hartenberg
2
a
i
Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox
3
α
i
Góc quay quanh trục ox
4
d
i
Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz
5
θ
i
Góc quay quanh trục oz
6
q
i
Biến khớp thứ (i)
7
A
i
Ma trận truyền giữa khâu (i-1) và khâu (i)

8
rot
Góc quay







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TT
Hình số
Nội dung
Trang
1
Hình 1.1
Robot hàn Allmega AII
8
2
Hình 1.2
VD Robot hàn chi tiết có chiều dài lớn
9
3
Hình 1.3
VD Robot hàn chi tiết có biên dạng phức tạp

10
4
Hình 2.1
Robot hàn Allmega AII
11
5
Hình 2.2
Hệ quy chiếu cố định
12
6
Hình 2.3
Hai hệ quy chiếu chung gốc 0
12
7
Hình 2.4
Hai hệ quy chiếu liên hệ với nhau một góc α
14
8
Hình 2.5
Vị trí vật trong không gian 3 chiều
15
9
Hình 2.6
Phương pháp các góc Euler
16
10
Hình 2.7
Phương pháp các góc Cardan
17
11

Hình 2.8
Vector định vị một điểm P thuộc vật rắn trong
không gian 3 chiều
18
12
Hình 2.9
Phương pháp Denavit- Hartenberg
22
13
Hình 2.10
Quỹ đạo hàn
33
14
Hình 2.11
Gắn các hệ tọa độ cho robot
36
15
Hình 2.12
VD1 Robot có giá cố định, đồ gá di chuyển tịnh tiến
39
16
Hình 2.13
VD2 Robot có giá cố định, đồ gá chuyển động quay
44
17
Hình 3.1
Mô hình đồ gá
49
18
Hình 3.2

Robot song song
49
19
Hình 3.3
Mô hình động học
50
20
Hình 3.4
Các hình chiếu của mô hình đồ gá
51
21
Hình 3.5
Tính chọn động cơ
52
22
Hình 3.6
Bánh răng đai lớn
54
23
Hình 3.7
Bánh răng đai nhỏ
54
24
Hình 3.8
Ổ đỡ
55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

9
25

Hình 3.9
Trục dài
56
26
Hình 3.10
Trục ngắn
56
27
Hình 3.11
Chi tiết mâm đỡ (bàn động 1)
57
28
Hình 3.12
Chi tiết dạng bạc
57
29
Hình 3.13
Bản vẽ lắp 3D
58
30
Hình 3.14
Giao diện của phần mềm COSMOSWorks
59
31
Hình 3.15
Chuyển vị của bàn động 1
61
32
Hình 3.16
Ứng suất của bàn động 1

61
33
Hình 3.17
Sức căng của bàn động 1
62
34
Hình 3.18
Ứng suất của trục 2
62
35
Hình 3.19
Sức căng của trục 2
63
36
Hình 3.20
Chuyển vị của trục 2
63
37
Hình 3.21
Ứng suất bàn động 2 (mâm quay)
64
38
Hình 3.22
Sức căng bàn động 2 (mâm quay)
64
39
Hình 3.23
Chuyển vị bàn động 2 (mâm quay)
65
40

Hình 3.24
Mô hình đồ gá trong môi trường SolidWorks
67
41
Hình 3.25
Tùy chọn hiệu chỉnh file định dạng *.STL
68
42
Hình 3.26
Giao diện mô phỏng robot hàn 2 chi tiết với chiều
dài đường hàn lớn
70
43
Hình 3.27
Giao diện mô phỏng robot 2 chi tiết với quỹ đạo
hàn là một đường cong không gian
71
44
Hình 3.28
Giao diện chọn file “du lieu mo phong robot
72
45
Hình 3.29
Giao diện chọn file “du lieu cau truc robot”
72
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

10
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Stt
Bảng số
Nội dung
Trang
1
Bảng 3.1
So sánh robot chuỗi và robot song song
49
2
Bảng 3.2

Bảng phân phối tỷ số truyền
53
3
Bảng 3.3

Bảng kê các chi tiết
58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

11

LỜI NÓI ĐẦU

Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, Robot công nghiệp đã có một lịch
sử phát triển hấp dẫn. Ngày nay, ngành công nghiệp phát triển robot công
nghiệp đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất. Ở Việt Nam các
nhà máy chế tạo cơ khí, nhà máy Yamaha, nhà máy Honđa vv… Robot đã
được ứng dụng nhiều trong chế tạo, lắp ráp và hàn nối các chi tiết lại với
nhau.

Hiện nay robot dùng trong công nghệ hàn thường được lắp cố định để hàn
các chi tiết cố định. Nhưng do trong thực tế có các mối nối (đường hàn) trong
không gian phức tạp nên khi hàn phải thay đổi vị trí robot hoặc chi tiết hàn rất
mất thời gian, hạn chế năng suất và hiệu quả kinh tế.
Việc đưa Robot hàn vào thực hiện các đường hàn có dạng đường cong phức
tạp đã được triển khai để hàn nối các chi tiết dạng ống, hàn khung xe máy, vỏ
ôtô và các kết cấu phức tạp, có kích thước lớn
Khả năng làm việc của hầu hết các robot hàn có hạn chế về kích thước và
vùng công tác mà robot có thể với tới, khả năng định vị và định hướng của
phần công tác trong vùng làm việc
Để thuận tiện cho việc di chuyển robot hàn trong quá trình hàn, không
mất thời gian, đảm bảo tính kinh tế và cho năng suất, hiệu suất cao việc thiết
kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII là rất cần thiết. Do vậy
đề tài này có mục tiêu nghiên cứu là tính toán thiết kế đồ gá di động cho robot
hàn hồ quang ALMEGA AII.
Xuất phát từ những lý do trên em đã chọn và thực hiện luận văn tốt
nghiệp cao học với đề tài “ Nghiên cứu tính toán thiết kế đồ gá di động cho
robot hàn hồ quang Almega AII”
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

12
Em rất vinh dự được học tập và nghiên cứu tại khoá đào tạo thạc sỹ
K12 CTM của Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên, luận văn đã hoàn
thành đúng tiến độ và đạt được yêu cầu đặt ra là tính toán thiết kế đồ gá di
động cho robot hàn hồ quang Almega AII.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi viện trưởng Trường
ĐHBK Hà Nội, người luôn chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để
bản luận văn của em sớm được hoàn thành đúng thời hạn và em hy vọng rằng
đề tài của em sẽ được ứng dụng vào thực tế, đóng góp phần nhỏ vào công
nghệ robot hàn tự động và cũng để hiện đại hóa ngành hàn trong tương lai.

Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng vì năng lực, kinh nghiệm và thời gian
có hạn nên luận văn của em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.
Em xin trân trọng cảm ơn những ý kiến đóng góp của các Thầy và các bạn
đồng nghiệp để bản luận văn của em được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn !
Thái Nguyên, Tháng 11 năm 2011










Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

13
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 Giới thiệu tổng quan về Robot
Từ rất lâu con người đã mong muốn tạo ra những vật giống như mình để
bắt chúng phục vụ cho bản thân mình. Đến năm 1921 thuật ngữ “Robot” ra
đời xuất hiện trong vở kịnh “ Rossum’s Universal Robot” của nhà viễn tưởng
người Sec, Kerel Capek.
Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng người Nga, Issac Asimov mô tả
Robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người được điều
khiển của một hệ thần kinh khả trình, do chính con người lập trình. Asimov

đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về Robot là Robotics, trong đó có 3
nguyên tắc cơ bản và là nền tảng cho việc thiết kế Robot :
- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.
- Hoạt động của Robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. Các
quy tắc này không được vi phạm quy tắc thứ nhất.
- Một Robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm
hai nguyên tắc trước.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Kerel Capek đã bắt đầu thực
hiện. Ngay sau chiến chanh thế giới làn 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những cánh
tay máy bất kỳ điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng
xạ.
Vào những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất
hiện các loại tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur
hoặc tay máy Handyman của General Electric. Năm 1954 George C. Devol đã
thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo
chương trình”. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F. Engelber, một kỹ sư
trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

14
năm 1959 công ty Unimation. Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt
đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này.
Chiếc Robot công nghiệp được đưa và ứng dụng đầu tiên năm 1961, ở một
nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công
ty AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company). Đến năm
1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như
công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại
robot nổi tiếng.
Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý

nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường
làm việc. Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo loại robot lắp
giáp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các
cảm biến lực và thị giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot
có cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy vi tính để lắp giáp
các máy in gồm 20 cụm chi tiết.
Vào thời điểm này ở nhiều nước khác cũng tiến hành công trình nghiên
cứu tương tự, tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết
bị cảm biến và các thiết diện giao tiếp người với máy.
Một lĩnh vực được nhiều người quan tâm là robot tự hành. Các công
trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc
súc vật. Các robot này còn chưa ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Tuy
nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đưa vào hoạt động trong các
hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.
Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến
bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã
ra tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

15
vậy robot công nghiệp có vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất
hiện đại.
1.2 Robot công nghiệp và ứng dụng
Ngày nay, chuyên ngành khoa học về robot “Robotics” đã trở thành một
lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu, động học,
động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động
v.v…
Sự ra đời của robot công nghiệp là bước ngoặt lịch sử trong sự phát triển
Robotics nói chung. Bởi vì từ đó robot đã khẳng định được hiệu quả kinh tế to
lớn mà nó đem lại cho chúng ta bước vào dây chuyền sản xuất như một

phương thức tiêu biểu cho nền công nghiệp hiện đại. Từ đây Robotics được
đầu tư nghiên cứu, vận dụng nhiều thành tựu khoa học để phát triển vượt bậc.
Hầu hết các robot hiện đang có đều được dùng trong công nghiệp, chúng có
đặc điểm riêng về cấu chúc chức năng, đã được thống nhất, thương mại hóa
rộng rãi. Lớp robot này được gọi là robot công nghiệp (Industrial Robot- IR).
Robot công nghiệp (RBCN) có 2 đặc trưng cơ bản:
- Là thiết bị vạn năng được TĐH theo chương trình và có thể lập trình lại để
đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.
- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng
như vận chuyển xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường
Từ 2 đặc trưng cơ bản trên của RBCN, hiện nay RBCN được định nghĩa như
sau:
- Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ (Robot institute of America - RIA) :
RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình
lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau
trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu chi tiết dụng cụ hoặc các
thiết bị chuyên dùng khác.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

16
- Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga) : Robot công nghiệp là một máy tự
động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một
hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các
chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) : Robot công nghiệp là một cơ
cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp
các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng,
di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp . . . theo những hành
trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ
khác nhau.

Với đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thiết bị TĐH ngày càng trở
thành bộ phận không thể thiếu trong hệ thống sản xuất.
Từ khi mới ra đời Robot công nghiệp được ứng dụng nhiều trong mọi lĩnh
vực dưới góc độ thay thế con người. Nhờ vậy dây chuyền sản xuất được tổ
chức lại , năng suất và hiệu quả tăng lên rõ rệt.
Robot công nghiệp có khả năng chương trình hóa linh hoạt trên nhiều
trục chuyển động, biểu thị số bặc tự do của chúng. Được ứng dụng nhiều
trong các ngành: hàn, lắp ráp, gia công cắt gọt, phun phủ, rót kim loại.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất
dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh
tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục
tiêu trên là nhờ vào các khả năng to lớn của robot như:
+ Làm việc không biết mệt mỏi
+ Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo
+ Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ
cao
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

17
+ Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà dễ gây mệt mỏi,
nhầm lẫn
Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc,
công nghệ hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận
chuyển phôi, lắp giáp sản phẩm,
Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy
CNC với các robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức độ tự động hoá
cao, mức độ linh hoạt cao,…ở đây các máy và robot cùng được điều khiển
một hệ thống chương trình.
Rõ ràng khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt trội hơn
khả năng của con người, do đó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng

cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc
và độc hại. Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người,
trong dây chuyền tự động, nếu một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động
của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của
con người.
1.3 Robot hàn hồ quang
Hiện nay trên thế giới có 120 phương pháp hàn khác nhau. Nói chung các
phương pháp hàn ngày càng hoàn thiện và phát triển hơn. Nó được sử dụng
rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng, ngành
công nghiệp ô tô, xe máy, đóng tàu và đặc biệt là ngành hàng không – vũ trụ
Có thể nói: Hàn là phương pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại.
Ngày nay với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề
ngày càng đông đảo với sự hợp tác khoa học với các nước trên thế giới ngành
hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển và được ứng dụng ngày càng nhiều vào
sản xuất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

18
Bản chất của hàn kim loại là quá trình công nghệ nối 2 hoặc nhiều phần tử
(chi tiết, bộ phận) lại với nhau thành một khối bền vững không tháo rời bằng
cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng vị trí cần nối đến trạng thái hàn (trạng
thái lỏng hoặc dẻo) sau đó kim loại lỏng tự kết tinh (trạng thái lỏng) hoặc
dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với nhau (trạng thái dẻo) để tạo thành
mối hàn.
Đặc điểm của hàn là liên kết cứng không tháo rời ra được, tiết kiệm kim
loại, hàn tạo ra các liên kết có độ bền, độ kín cao đáp ứng nhu cầu làm việc
của các kết cấu quan trọng như: Vỏ tàu, nồi hơi, thiết bị chịu áp lực,…Hàn có
tính năng động và năng suất cao so với các công nghệ gia công khác, do vậy
dễ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất. Mức độ đầu tư cho quá trình
sản xuất thấp. Do trong quá trình hàn, vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt

tập chung, thời gian hàn ngắn vì vậy liên kết hàn thường có nhược điểm như:
Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể
bị thay đổi (đặc biệt là những vật liệu khó hàn) do vậy làm giảm khả năng
chịu lực của kết cấu.
Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng với tính kinh tế kỹ thuật cao công
nghệ hàn ngày càng được quan tâm phát triển hoàn thiện và được ứng dụng
rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân.
Song công nghệ hàn không chỉ là những đường hàn đơn giản mà nó còn
phụ thuộc vào sự phức tạp của các liên kết hàn và vị trí của các mối hàn trong
không gian chính vì điều này robot hàn đã được sử dụng nhiều trong công
nghệ hàn. Gần 25% robot trong công nghiệp là robot hàn, có mặt nhiều nhất
trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử
Một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại trên những chi tiết
giống nhau sẽ thích hợp để tự động hóa. Số lượng chi tiết cần hàn trong quá
trình chế tạo quyết định xem có nên tự động hóa quá trình hàn hay không.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

19
Nếu bình thường phải điều chỉnh để các chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các
mối hàn quá rộng hoặc có vị trí khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự
động hóa được.
Tại vì những lợi ích lớn nhất của hàn tự động là có độ chính xác và năng
suất cao, hàn bằng robot sẽ nâng cao độ tin cậy của mối hàn. Một khi được
lập trình hợp lý, các robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật
hàn cùng kích thước và quy cách.
Chuyển động của mỏ hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi
trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại.
Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt
ngày đêm, có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp, chất lượng mối hàn
tốt và tính thẩm mỹ cao, hiệu quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay.

Qúa trình hàn được tự động hóa giải phóng người công nhân khỏi những
tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc.
Chính vì lý do vậy mà hiện nay rất nhiều công ty, nhà máy sử dụng robot hàn,
hiện nay trên thị trường trong nước có rất nhiều chủng loại robot hàn của
nhiều hãng khác nhau.
Ngoài khả năng như trên của robot hàn thì robot hàn hồ quang Almega
AII hình1.1 là robot hàn mới, lập trình linh hoạt và tiện lợi đặc biệt có khả
năng kết nối với máy tính đảm bảo tính chính xác cho quá trình hàn. Khả
năng kết nối máy tính cho phép điều khiển phối hợp chuyển động của robot
và đồ gá di động theo chương trình một cách thuận lợi, nâng cao khả năng
công nghệ của robot.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

20

Hình 1.1
Robot hàn hồ quang Almega AII là một thiết bị vạn năng được tự động
hóa theo chương trình có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt,
khéo léo các nhiệm vụ khác. Robot có kết cấu dạng tay máy có thể thực hiện
trực tiếp các thao tác trên đối tượng.
Trong không gian tĩnh robot hàn và vật hàn thường được gắn cố định nên
chỉ hàn được các đường hàn có sẵn trong lập trình và các mối hàn nằm trong
khả năng với tới của robot hàn, mà robot hàn hồ quang Almega AII thường
được gắn cố định nên khi hàn các chi tiết có chiều dài quá lớn, đặc biệt
trường hợp gia công các sản phẩm có biên dạng phức tạp, yêu cầu độ chính
xác cao robot không thể với tới và thực hiện được, để thực hiện được quá
trình hàn thì phải phát triển robot có số bậc tự do lớn hơn 6 hay robot có số
bậc tự do lớn hơn số tọa độ khâu thao tác hoặc cải tiến các robot hiện có.
Nếu phải sử dụng robot có số bậc tự do lớn hơn 6 hay cải tiến robot thì giá

thành cao, chế tạo và điều khiển phức tạp dẫn đến giải các bài toán động học
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

21
ngược mất nhiều thời gian vì có nhiều thông số tính toán và độ chính xác
tính toán không cao mà trong thực tế gia công yêu cầu các thông số đưa vào
để điều khiển robot phải nhanh, chính xác. Vậy để khắc phục điều này ta có
thể sử dụng robot ít bậc tự do cho độ cứng vững động học cao, các thông số
để giải bài toán động học ít, giải nhanh độ chính xác cao và bộ thông số đưa
vào điều khiển robot nhanh đảm bảo thời gian gia công. Song chỉ mỗi robot
thì chưa đáp ứng được khi mà hàn các đường hàn dài và phức tạp vì vậy ta
có thể di chuyển đối tượng hàn.
Giải pháp đưa ra là thiết kế đồ gá mang chi tiết gia công kết hợp với robot
hàn tạo thành một hệ robot, hệ này có sự chuyển động tương đối giữa chi tiết
gia công và robot. Ưu điểm của việc thiết kế đồ gá cho chi tiết gia công là
chế tạo đơn giản, chế tạo trong nước không phải nhập ngoại.
Vậy bài toán đặt ra là tính toán khảo sát động học để hàn được các mối
hàn phức tạp trên cơ sở tạo nên đồ gá cho
chi tiết hàn kết hợp với robot hàn.
Xét trường hợp vật hàn có chiều dài
lớn hình 1.2 vượt quá tầm với của robot
để giảm thời gian gia công, tăng năng suất
ta có thể thiết kế đồ gá cho vật hàn. Trong
quá trình hàn robot không phải thay đổi vị
trí và lặp trình lại đường hàn.
Trường hợp vật hàn có biên dạng phức tạp
để tăng khả năng công nghệ cho hệ robot
ta có thể thiết đồ gá như hình 1.3

z
d
y
d
x
d
z
o
x
o
Mối hàn
Hình 1.2
y
o
X

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

22

Ngày nay công nghiệp phát triển các chi tiết hàn yêu cầu độ chính xác
cao và độ thẩm mỹ cao nên robot hàn được sử dụng nhiều. Để nâng cao khả
năng công nghệ, nâng cao năng suất lao động, giảm thời gian gia công việc
thiết kế đồ gá kết hợp với robot là rất cần thiết. Vì vậy việc tính toán thiết kế
cấu trúc động học đồ gá và tính toán động học cho hệ robot hàn là rất quan
trọng phần này được trình bày ở chương 2.





Hình 1.3
y
o
x
o
z
o
z
o
y
o
x
o

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

23
Hình 2.1
CHƢƠNG 2
TÍNH TOÁN MÔ HÌNH
2.1 Cơ sở tính toán khảo sát Robot
2.1.1 Biểu diễn điểm trong không gian
Robot nói chung có cấu trúc động học là một hệ nhiều vật, gọi là khâu
(link), kết nối với nhau bởi các khớp (joint). Thông thường các khâu của
robot có thể được xem là vật rắn (tuyệt đối) khi khảo sát và tính toán.
Về cấu trúc động học, robot hàn có dạng chuỗi
hở, có từ 3 đến 6 khâu với số bậc tự do tương ứng.
Hình 2.1 loại robot hàn có 6 bậc tự do như Almega
AII được dẫn động bởi các động cơ đặt tại các
khớp quay hoặc tịnh tiến. Các robot hàn 6 bậc tự
do làm việc khá linh hoạt, thực hiện được các thao
tác hàn có độ chính xác cao và chất lượng ổn định.
Cơ sở để khảo sát robot hàn trước hết cần
nghiên cứu định vị các điểm và vật thể trong
không gian. Để xác định vị trí của điểm hoặc vật
thể trong không gian, người ta thiết lập một hệ qui chiếu (hệ tọa độ) cố định.
Trong trường hợp chung có thể không nhất thiết là hệ qui chiếu cố định. Vị trí
của bất kỳ điểm nào trong hệ qui chiếu cố định hình 2.2 đều có thể xác định
bởi vector hình học sau:
kzjyixr
pppp





(2.1.1)
Hoặc vector đại số :
 
T
ppp
p
p
p
p
zyx
z
y
x
r ,,











(2.1.2)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

24

p
z
y
k
i
x
j
0
rp
yp
xp
zp
Frame A
Hình 2


2.1.2 Ma trận cosin chỉ hƣớng, ma trận quay
a, ma trận cosin chỉ hướng
Cho 2 hệ quy chiếu chung gốc 0 như hình 2.3
- Hệ 0xyz cố định (fixed frame A),
- Hệ 0uvw động (moving frame B),
P là một điểm trong không gian.
i,j và k vector đơn vị hệ qui chiếu cố định A
u,v và w vector đơn vị hệ qui chiếu động B
Biểu diễn u,v và w trong A:
kujuiuu
zyx
A






kvjvivv
zyx
A




(2.1.3)
kwjwiww
zyx
A






Hình 2.2
p
y
x
0
p
Fixed frame A
v
u
Ap

Bp
pu
px
pw
pv
py
Hình 3
Hình 2.3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

25

Biểu diễn vị trí P trong A,B:
kpjpipp
zyx
A





wpvpupp
wvu
B





 

 
 
kwpvpupjwpvpupiwpvpupp
zwzvzuywyvyuxwxvxu
A




(2.1.5)









wzvzuzz
wyvyuyy
wxvxuxx
pwpvpup
pwpvpup
pwpvpup
(2.1.6)


































z

v
u
zzz
yyy
xxx
z
y
x
p
p
p
wvu
wvu
wvu
p
p
p
(2.1.7)











z

y
x
A
p
p
p
p
,











zzz
yyy
xxx
B
A
wvu
wvu
wvu
R
,












w
v
u
B
p
p
p
p

pRp
B
B
AA

(2.1.8)












zzz
yyy
xxx
B
A
wvu
wvu
wvu
R
=










333231
232221
131211
aaa

aaa
aaa
(2.1.9)
Ta gọi ma trận
B
A
R
là ma trận cosin chỉ hướng (sau đây còn gọi là ma trận
quay) của hệ qui chiếu động B với hệ qui chiếu cố định A.
Tính chất của ma trận cosin chỉ hướng:
- Ma trận cosin chỉ hướng có tính chất trực giao
u
2
= 1 u
T
v = 0 u × v = w
v
2
= 1 , v
T
w = 0 → v × w = u (2.1.10)
w
2
= 1 w
T
u = 0 w × u = v
T
B
A
B

A
A
B
RRR 
1
(2.1.11)
- Định thức bằng 1: det(
B
A
R
) = 1
b,Ma trận quay
(2.1.4)