tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu TÍNH TOÁN THIẾT kế đồ gá DI ĐỘNG CHO ROBOT hàn hồ QUANG AIIMEGA AII

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******
BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI
ĐỘNG CHO ROBOT HÀN HỒ QUANG AIIMEGA AII
Học Viên: Nguyễn Thị Bích Ngần
Lớp: CHK12 CTM
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
HDKH: PGS.TS. Phan Bùi Khôi


THÁI NGUYÊN - 2011
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******
BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI
ĐỘNG CHO ROBOT HÀN HỒ QUANG AIIMEGA AII
Học Viên: Nguyễn Thị Bích Ngần
Lớp: CHK12 CTM
Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy
HDKH: PGS.TS. Phan Bùi Khôi
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN


PGS.TS. Phan Bùi Khôi Nguyễn Thị Bích Ngần
THÁI NGUYÊN - 2011
Công trình được hoàn thành tại: Trường đại học kỹ thuật

Công Nghiệp TN
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phan Bùi Khôi
Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe
Phản biện 2: PGS.TS Ngô Như Khoa
Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại
trường ĐH kỹ thuật công nghiệp TN
Ngày 10 tháng 12 năm 2011
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, ngành công nghiệp phát triển, 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
Không chỉ nghiên cứu về robot hàn hay hệ thống điều khiển
tự động trong quá trình hàn, hàn tự động đòi hỏi phải có đồ
gá tự động hóa áp dụng cho các vị trí hàn khác nhau trong
không gian. Điều này sẽ góp phần quyết định công nghệ hàn
tự động có thể thực hiện được các mối hàn phức tạp.

Vậy để thuận tiên 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
-1-
hàn hồ quang Almega AII là rất cần thiết. Do vậy đề tài này
có mục tiêu nghiên cứu là thiết kế đồ gá di động cho robot
hàn hồ quang ALMEGA AII.
Đề tài được nghiên cứu và hoàn thành sẽ góp phần
rèn luyện và nâng cao khả năng nghiên cứu về lý thuyết cho
tác giả trong quá trình thực hiện luận văn. Đồng thời tác giả
hy vọng sẽ đóng góp phần nhỏ vào công nghệ robot hàn tự
động và cũng để hiện đại hóa ngành hàn trong tương lai.
2. Ý nghĩa của đề tài
2.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện và
bổ sung cho việc điều khiển quá trình công nghệ hàn về thiết
kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để nâng cao chất
lượng và hiệu quả làm việc của robot hàn hồ quang Almega
AII.
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1. Giới thiệu tổng quan về Robot
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 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

-2-
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
+ Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà
dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn
1.3. Robot hàn hồ quang
Trong ngành công nghiệp sản xuất thì hàn đóng vai trò
quan trọng ,ví dụ như ngành công nghiệp ô tô xe máy , đóng
tàu, Vì vậy số lượng Robot hàn được thay thế các Robot
hàn khác rất nhiều , sở dĩ có được điều này là do tính năng
vượt trội khi hàn bằng Robot như sau:
- Có tính tự động cao và năng suất cao.
-3-
- Có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp .
- Chất lượng mối hàn tốt và tính thẩm mỹ cao.

- Có thể thực hiện các thao tác lặp đi, lặp lại liên tục.
- Giải phóng người lao động khỏi tác động có hại khi hàn
-Giảm được thời gian chu kỳ làm việc.
Ngoài khả năng như trên Robot hàn hồ quang Almega
AII là Robot hàn mới nhất 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.
Ngày nay công nghiệp phát triển các chi tiết hàn yêu
cầu độ chính xác cao và độ thẩm mỹ cao nên việc sử dụng
robot hàn là rất cần thiết. Để nâng cao khả năng công nghệ,
nâng cao năng suất lao động, giảm thời gian gia công việc.
Giải pháp đưa ra là thiết kế đồ gá linh hoạt mang chi tiết gia
công kết hợp với robot mang dụng cụ tạo thành một hệ
robot.
CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN MÔ HÌNH
2.1. Cơ sở tính toán khảo sát robot hàn
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.
-4-
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.
2.1.2. Ma trận cosin chỉ hướng, ma trận quay

2.1.3. Vị trí, hướng của vật rắn
2.1.4. Phép biến đổi tọa độ thuần nhất
2.1.5. Phương pháp Denavit- hartenberg (D-H)
2.2. Thiết lập phương trình động học robot
2.2.1. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo
cấu trúc động học
Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất
n
A
0
biểu diễn trạng
thái khâu thao tác có thể xác định được từ cấu trúc động học
của robot
2.2.2. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo
tọa độ thao tác
2.2.3. Phương trình động học robot
Phương trình động học robot nhận được trong dạng ma trận
như sau:
)()(
00
tAqA
nn
=
(2.2.6)
2.2.4. Bài toán động học thuận về vị trí của robot
2.2.5. Bài toán động học ngược về vị trí của robot
2.3. Bài toán động học robot hàn Almega AII khi vật
hàn cố định
-5-
Động học nghiên cứu chuyển động nhưng không xét đến

các lực hoặc các mômen gây ra chuyển động. Động học xét
đến vị trí, vận tốc, gia tốc và các đạo hàm cấp cao của các
biến vị trí theo thời gian hoặc theo các biến khác. Do đó động
học chỉ đề cập các tính chất hình học và thời gian của chuyển
động.
Vì vậy để dẫn động robot đảm bảo mỏ hàn bám theo mối
hàn, biểu diễn hình dạng của đường cong hàn ta sử dụng một
tam diện vuông của đường cong hàn là hệ tọa độ ba trục
vuông góc
f f f
τ ν β
có gốc đặt tại điểm thuộc đường cong
hàn.
1- Vật hàn,
2- Mối hàn,
3- Đường cong quỹ đạo hàn,
4- Đầu mỏ hàn,
k k k
τ ν β
: Tam diện trùng theo của đầu
hàn
i i i
f f f
τ ν β
: Tam diện trùng theo của quỹ đạo hàn
f f f
τ ν β
: Tam diện của đường hàn
Ma trận D-H xác định vị trí và hướng của
i i i

f f f
τ ν β
đối với
hệ tọa độ nền của robot là
0
i
f
A
, ta có:
-6-
z*
o
y*
o
0*
o
x*
o
z
o
y
o
y
1
x
1
z
1
x
2

x'
3
q
3
x
3
x'
4
z
3
q
4
q
1
q
2
z
4
z
5
x
4
x
5
q
5
z
6
y
6

x
6
x'
5
q
6
Khâu 6
Khâu 5
Khâu 4
Khâu 3
Khâu 2
Khâu 1
Khâu 0
x
o
x'
1
x'
2
z
2
0 0
0 0
( ) ( )
1
i i
p p
d
f d f
T

C t R t
A A A
O
 
 
= =
 
 
 
M
L L L
M
-7-
(2.3.4)
Hình 2.11
2.4. Tính toán khảo sát động học robot hàn Almega AII
khi vật hàn gắn trên đồ gá di động.
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT HÀN ALMEGA
AII VÀ ĐỒ GÁ DI DỘNG
3.1. Thiết kế đồ gá di động
3.1.1 Công dụng của đồ gá
Trong một số trường hợp gia công các sản phẩm có biên
dạng phức tạp, độ chính xác ngày càng cao thì robot cần
phải có sự khéo léo, linh hoạt, tránh được va chạm, tránh
các giới hạn khớp, hoặc tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động, tối
ưu về momen thì robot 6 bậc tự do khó có thể đáp ứng
được. Để giải quyết vấn đề này, ta phải lựa chọn theo hướng
phát triển robot có 6 bậc tự do lớn hơn 6 hay robot có số
bậc tự do lớn hơn số tọa độ khâu thao tác.

3.1.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc động học cho đồ gá
Với nhiệm vụ thiết kế đồ gá cho robot Allmega AII. Đồ
gá có thể lựa chọn theo cấu trúc chuỗi
3.1.3 Mẫu mô hình đồ gá
-8-

Hình 3.4
3.2 Tính toán thiết kế các bộ truyền động
2.1 Lựa chọn động cơ
3.2.2 Tính toán bộ truyền cho đồ gá
3.2.3 Tính chọn ổ
3.2.4 Phân tích lựa chọn phôi
3.2.5 Phân tích công nghệ trong kết cấu chi tiết
a. Các chi tiết dạng trục
b. Các chi tiết dạng tầm
-9-
c. Các chi tiết dạng bạc
3.2.6 Thiết kế các bản vẽ chế tạo
3.2.7 Kiểm nghiệm độ bền của đồ gá bằng phần mềm
COSMOSWorks
a. Giới thiệu về phần mềm COSMOSWorks
b. Tính ứng suất, chuyển vị và sức căng của một số chi tiết
điển hình
Ta có thể đặt các thuộc tính cho chi tiết:
- Vật liệu
- Mối quan hệ giữa các chi tiết : ghép ren, ghép có độ dôi
-10-
- Đặt phương chiều các lực và moomen xoắn lên chi tiết từ
đó xác định được chuyển vị, ứng suất, sức căng, hệ số an
toàn.

Hình 3.15 Chuyển vị của tấm gá động cơ
3.3. Mô phỏng hoạt động của robot hàn Almega AII
3.3.1.Phần mềm ứng dụng
Phần mềm mô phỏng Visual C++ dùng để thực hiện việc mô
phỏng mô hình chuyển động cho hệ robot trên máy tính. Mô
hình hệ robot trong SolidWorks hay AutoCad sẽ được
chuyển vào thành đối tượng trong Visual C++. Việc chuyển
đổi tương quan môi trường làm việc của hai phần mềm
SolidWorks và AutoCad là khá dễ dàng vì từ phiên bản
SolidWorks 2005 trở lên đã hỗ trợ cho việc chuyển đổi môi
trường AutoCad - SolidWorks.
Trong môi trường SolidWorks ta xuất file mô phỏng chi tiết
sang dạng *.STL. Cũng tương tự như cách dùng file *.bdf
trên ta cũng phải xây dựng phương thức để đọc file *.STL
này và thực hiện vẽ lại mô hình bằng cách sử dụng thư viện
-11-
OpenGL. Với phương pháp này ta có thể điều chỉnh được độ
mịn của chi tiết thông qua các tùy chọn ghi file
3.3.2. Chương trình mô phỏng
Trong môi trường phần mềm solidWorks ta cố gắng vẽ
đối tượng có gốc tọa độ trùng với gốc tọa độ vật đã được
chọn theo bảng D-H.
Hình 3.24 Mô hình đồ gá trong môi trường SolidWorks
Ngoài ra SolidWorks cũng cung cấp cho chúng ta chức năng
chuyển dịch hệ tọa độ về các vị trí mong muốn trên chi tiết.
Xuất đối tượng SolidWorks sang file định dạng *.STL
3.3.3. Giao diện chương trình và ứng dụng
Chương trình mô phỏng được thực hiện trong môi trường
Visual C++ với ứng dụng của thư viện hàm chuẩn MFC với
ứng dụng Single Document Interface – giao diện tài liệu đơn

(SDI). Ứng dụng SDI là một ứng dụng tài liệu chỉ có thể làm
việc với một kiểu tài liệu tại một thời điểm.
-12-
Giao diện mô phỏng
Hình 3.27 Giao diện mô phỏng robot hàn hai chi tiết với
quỹ đạo hàn là một đường cong không gian
Thao tác với giao diện như sau:
- Khởi tạo chương trình bằng việc nháy chuột vào biểu tượng
của chương trình sẽ mở ra biểu tượng của chương trình.
- Chọn cấu trúc robot để mô phỏng
Vì chương trình đã được định dạng cho phép mô phỏng một
lớp các loại robot do đó có thể chọn cấu trúc robot và đồ gá
để mô phỏng. Cách chọn như sau từ cửa sổ “Untitled-aa” của
chương trình chọn file “du lieu mo phong robot” cửa sổ file
du lieu mo phong robot hiện lên cho phép chọn đường dẫn để
mở file lưu dữ liệu mô phỏng cấu trúc robot (chọn robot_2)
rồi ấn open hình 3.28, sau đó chọn chọn file dữ liệu liên quan
đến quá trình công nghệ để mô phỏng vào cửa sổ “Untitled-
-13-
aa” của chương trình chọn file “du lieu cau truc robot” cửa sổ
file du lieu mo phong robot hiện lên cho phép chọn đường
dẫn để mở file lưu dữ liệu cấu trúc robot (chọn Moi han_2)
rồi ấn open hình 3.29.
Để chạy chương trình ấn nút “Run”, ngừng chương trình ấn
“pause” khi chạy chương trình giao diện giống như hình
3.27, để được như vậy đồ gá phải thực hiện 2 chuyển động
quay, quay quanh trục y và quay quanh trục z để đảm bảo
rằng robot hàn hết đường hàn, để chứng minh điều này tác
giả giới thiệu một đoạn video mô phỏng hoạt động của đồ gá
và robot như sau:

Video 1:
Video 2:
Hình 3.28 Giao diện chọn file “du lieu mo phong robot”
-14-
Hình 3.29 Giao diện chọn file “du lieu cau truc robot”
KẾT LUẬN CHUNG
- Như vậy luận văn đã đưa ra được tính cấp thiết của đề tài là
khi dùng đồ gá hàn thì robot hàn có thể hàn được các chi tiết
có chiều dài quá lớn, đặc biệt các sản phẩm có biên dạng
phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao. Khi hàn không phải thay
đổi vị trí của robot hàn tiết kiệm thời gian, cho năng suất và
hiệu quả kinh tế cao.
- Luận văn đã thiết kế được đồ gá có 2 khả năng chuyển động
mở rộng khả năng công nghệ cho robot.
- Luận văn đã tính toán động học cho hệ robot (đồ gá và
robot)
+ Đưa ra bài toán động học tổng quát khi robot hàn chi tiết có
chiều dài lớn
-15-
+ Đưa ra bài toán động học tổng quát khi robot hàn chi tiết có
biên dạng hàn phức tạp
- Đã kiểm nghiệm bền đồ gá trên phần mềm SolidWorks
- Đã chạy mô phỏng khi hàn một số trường hợp trên phần
mềm Visual C++
Luận văn thiết kế được đồ gá mang chi tiết có thể tăng 2
khả năng công nghệ cho hệ robot, mở rộng khả năng công
nghệ cho robot hàn hồ quang ALLMEGA AII có thể hàn
được các đường hàn dài, đường cong không gian phức tạp
mà robot không thể với tới và thực hiện được.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. PGS.TS Đào Văn Hiệp. Kỹ thuật robot.
2. GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc. Robot và thế giới
công nghệ cao của bạn.
3. PGS.TS. Phan Bùi Khôi. Bài giảng tính toán thiết kế
robot. Trường ĐHBKHN, 2010.
4. Phan Bùi Khôi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh
“Tính toán động học robot hàn có nền di động”
Tuyển tập công trình hội nghị cơ học toàn quốc lần
thứ VIII. Hà Nội, ngày 6-7/12/2007
5. Nguyễn Trọng Hiệp. Chi tiết máy tập 1,2. NXB Giáo
dục, Hà Nội 2001
6. Trịnh Chất, Lê Văn Uyển “Tính toán dẫn động cơ khí
tập 1,2. NXB Giáo dục, Hà Nội 2006.
-16-
7. Đào Chi Lăng: Solidworks- COSMOSWorks. Bản
dịch từ Solidworks Tutorials.
8. Sciavicco L., Siciliano B, Modelling and Control of
Robot Manipulators, Springer, London 2004.
9. David G. Ullman, The Mechanical Design Process,
Mc Graw Hill 2003.
10. Lung Wen Tsai. Robot Analysis, The Mechanics of
Serial and Parallel Manipulators. John Willey &
Sons, New York/Toronto/ 505 pag. 1999.
11. John J. Craig. Introduction to Robotics, Mechanics
and Control. 3
rd
Edition, Pearson. 400 pag. 1989.
12. Sicilianno B, Khatib O, Springer Hanbook of
Robotics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008.
13. Grote, Antonsson, Springer Hanbook of Mechanical

Engineering, Springer 2009.
-17-