Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot hàn ống dẫn dầu khí

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là : Tống Giang Nam
Nơi công tác:
Tên đề tài: Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot hàn ống dẫn dầu – khí
Chuyên nghành: Công nghệ chế tạo máy
Mã số: 10BCTM – QP21
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Được thực hiện dưới sự
hướng dẫn chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phan Bùi Khôi. Các kết quả mới
trình bày trong luận văn là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong
tài liệu nào.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
Ngƣời viết

Tống Giang Nam

-1-


CẤU TRÚC LUẬN VĂN

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ
1.1 Giới thiệu về Robot
1.2 Giới thiệu sơ lƣợc về robot hàn
1.3 Cấu trúc chung của robot hàn
1.4 Cấu trúc Robot hàn ống dẫn dầu khí
1.5 Nội dung nghiên cứu của Luận văn
CHƢƠNG 2

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC , ĐỘNG LỰC HỌC
ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ
2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán Động học, Động lực học
2.2 Khảo sát Động học Robot hàn ống dẫn dầu khí
2.3 Khảo sát động lực học robot hàn ống dẫn dầu khí
CHƢƠNG 3
TÍNH TOÁN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG
CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ
3.1 Phân tích lựa chọn kết cấu
3.2 Thiết kế hệ thống dẫn động Robot khâu đế
3.3 Thiết kế các bộ truyền dẫn động cho các khâu

-2-


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN

1

CẤU TRÚC LUẬN VĂN

2

MỤC LỤC

3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

4

LỜI MỞ ĐẦU

10

CHƢƠNG 1

12

TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ
1.1 Giới thiệu về Robot

12

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển Robot

12

1.1.2 Một số định nghĩa về Robot công nghiệp

14

a. Định nghĩa Robot công nghiệp

14

b. Bậc tự do của Robot

15

c. Trường công tác của robot:

17

1.1.3 Không gian hoạt động của Robot

17

1.1.4 Các khớp đặc trưng sử dụng trong Robot

20

1.2 Giới thiệu sơ lƣợc về robot hàn

23

1.3 Cấu trúc chung của robot hàn

30

a. Robot hàn

31

b. Bộ điều khiển

31

c. Nguồn dẫn động

32

d. Súng hàn

33

e. Nguồn điện

33

f. Bộ làm sạch súng hàn

33

g. Bộ cấp dây

34

h. Khung hàn, tay hàn

34

i. Bộ định tâm, cảm biến

35

1.4 Cấu trúc Robot hàn ống dẫn dầu khí

-3-

36


1.5 Cơ sở thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot MWR

39

1.5.1 Tính toán động học

40

1.5.2 Tính toán động lực học

40

1.5.3 Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot MWR

41

CHƢƠNG 2
KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC , ĐỘNG LỰC HỌC

42

ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ (MWR)
2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán động học, động lực học

42

2.1.1 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot

42

2.1.2 Phương pháp Denavit-Hartenberg

45

2.1.3 Ma trận biến đổi tọa độ Denavit-Hartenberg

48

2.1.4 Ma trận trạng thái của khâu thao tác theo dây chuyền

49

động học
2.1.5 Ma trận trạng thái của khâu thao tác theo yêu cầu công

50

2.1.6 Phương trình động học của Robot

51

nghệ
2.2 Khảo sát Động học Robot MWR

52

2.2.1 Xây dựng các hệ tọa độ

56

2.2.2 Tính các ma trận truyền Denarvit-Hartenberg

60

a. Tính ma trận trạng thái của mỏ hàn theo cấu trúc động học

61

b. Tính ma trận trạng thái của mỏ hàn tại mỗi điểm trên đường

65

cong hàn
2.2.3 Thiết lập phương trình động học Robot MWR
2.3 Khảo sát động lực học robot hàn ống dẫn dầu khí

67
70

2.3.1 Phương trình động lực học

70

2.3.2 Phương pháp tính toán các đại lượng động lực học của

71

2.3.3 Các bài toán động lực học Robot MWR

75

Robot

-4-


CHƢƠNG 3

76

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG
CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ
3.1 Phân tích lựa chọn kết cấu

76

3.1.1 Khâu đế Robot

76

3.1.2 Hệ thống dẫn động Robot

79

3.2 Tính toán lựa chọn bộ truyền, động cơ dẫn động cho Robot

83

3.2.1 Tính toán các thông số

83

3.2.2 Tính toán chọn động cơ.

87

3.3 Phân tích bộ truyền dẫn động các khâu còn lại của Robot

91

MWR
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

110

TÀI LIỆU THAM KHẢO

111

-5-


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình ảnh

Trang

Hình

1.1

Trường công tác của Robot

15

Hình

1.2

Tay máy tọa độ góc

16

Hình

1.3

Tay máy tọa độ trụ

16

Hình

1.4

Tay máy tọa độ cầu

16

Hình

1.5

Tay máy khớp bản lề

17

Hình

1.6

Tay máy tọa độ Đềcác

17

Hình

1.7

Khớp quay

18

Hình

1.8

Khớp lăng trụ

18

Hình

1.9

Khớp trụ

19

Hình

1.10

Khớp ren

19

Hình

1.11

Khớp cầu

19

Hình

1.12

Khớp phẳng

20

Hình

1.13

Khớp bánh răng phẳng

20

Hình

1.14

Phân loại Robot hàn cắt thông dụng

21

Hình

1.15

Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi

22

Hình

1.16

Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC

23

Hình

1.17

Mẫu cấu tạo Teach Pendant

24

Hình

1.18

Các dạng quỹ đạo di chuyển que/ dây hàn

25

Hình

1.19

Robot Hãng ATC Daihen chế tạo

25

Hình

1.20

Robot hàn tiêu biểu

Hình

1.21

Robot hàn mini

26

( Trường Đại học giao thông vận tải TP.HCM
nghiên cứu chế tạo)
Hình

1.22

Robot hàn đường Mini
(Do trường Đại học Bách khoa TP.HCM nghiên

-6-

27


cứu chế tạo)
Hình

1.23

Robot hàn BK23

27

( Sản phẩm của trường Đại học bách khoa Hà Nội
chế tạo)
Mô hình Robot hàn ống dẫn dầu khí - MWR

Hình

1.24

Hình

1.25

Hình

2.1a

Hệ tọa độ chuẩn

43

Hình

2.1b

Quy tắc bàn tay phải

43

Hình

2.2

Xác định các thông số

44

Hình

2.3a

Cấu trúc cơ khí robot MWR

50

Hình

2.3b

Cấu trúc động học robot MWR

51

Hình

2.4

Khâu 0

51

Hình

2.5

Khâu 1

52

Hình

2.6

Khâu 2

52

Hình

2.4

Khâu 3

53

Hình

2.8

Khâu 4

53

Hình

2.9

Xây dựng tọa độ Robot MWR

54

Hình

2.10

Tọa độ Khâu 0

55

Hình

2.11

Tọa độ Khâu 1

55

Hình

2.12

Tọa độ khâu 2

56

Hình

2.13

Tọa độ khâu 3

56

Hình

2.14

Hình

2.15

Sơ đồ cơ học - xác định tọa độ Robot MWR

58

Hình

2.16

Biểu diễn mối hàn

63

Hình

2.17

Góc hàn

65

Hình

3.1

Khâu đế gá đặt Robot

76

Hình

3.2

Hình chiếu của Bàn gá

77

Hình

3.3

Kiểu hoạt động của Bàn gá đặt

77

Hình

3.4

Bánh xe ăn khớp mặt trong ray dẫn

78

Những bộ phận cơ bản của Robot MWR

Tọa độ khâu 4

-7-

35
36

57


Hình

3.5

Bánh xe ăn khớp mặt ngoài ray dẫn

78

Hình

3.6

Phân tích chuyển động ăn khớp 2 bánh răng

79

Hình

3.7

Sơ đồ lực dẫn động cho khâu 1

79

Hình

3.8

Phân tích cơ cấu bộ truyền bánh răng

80

Hình

3.9

Ray dẫn

81

Hình

3.10

Vít điều chỉnh

82

Hình

3.10c

Sơ đồ truyền động Trục vít - bánh vít

82

Hình

3.11

Mô tả tọa độ điểm hàn

84

Hình

3.12

Hình

3.13

Quy luật chuyển động của các khâu theo hàm

85

Hình

3.14

Tốc độ di chuyển của các khâu

86

Hình

3.15

Sơ đồ các lực dẫn động tác dụng tại các khớp

87

Hình

3.16

Kích thước ray dẫn

89

Hình

3.17

Kích thước bánh răng trụ nhỏ

90

Hình

3.18

Phương pháp sử dụng bộ truyền dẫn động khâu 2

91

Hình

3.19

Cơ cấu Vitme-đai ốc

92

Hình

3.20

Phương pháp lắp ghép bộ truyền dẫn động khâu 2

92

Hình

3.21

KT Trục vít 2(theo hình 3.15)khâu 2

93

Hình

3.22

KT Thanh dẫn hướng 4-5(theo hình 3.15)khâu 2

94

Hình

3.23

KT Tấm định vị động cơ 2 – khâu 2

94

Hình

3.24

KT Bộ phận dẫn hướng 13 (theo H3.15)

95

Hình

3.25

Hình

3.26

KT Bộ truyền Vitme đai ốc dẫn động khâu 3

97

Hình

3.27

Phương pháp lắp ghép bộ truyền dẫn động khâu 3

98

Hình

3.28

KT Gối đỡ 13(theo H3.22)

99

Hình

3.29

KT Bộ phận dẫn hướng 8 (theo H3.22)

100

Hình

3.30

KT Thanh dẫn hướng 6(theo H3.22)

101

Hình

3.31

KT Chi tiết 9(theo H3.22)

102

Hình

3.32

KT Chi tiết 10(theo H3.22)

103

Sơ đồ quy luật chuyển động của các khâu

KT Bộ phận dẫn hướng 14(theo H3.15)

-8-

84

96

KT Trục vít 4(theo H3.22)

Hình

3.33

Hình

3.34

Bộ truyền Vitme đai ốc dẫn động khâu 4

105

Hình

3.35

Phương pháp lắp ghép bộ truyền dẫn động khâu 4

106

Hình

3.36

KT Chi tiết 8-Thanh dẫn hướng (Theo hình 3.29)

106

Hình

3.37

KT Trục vít 5(Theo hình 3.29)

107

Hình

3.38

Hình

3.39

KT Gối đỡ 3(Theo hình 3.29)

108

Hình

3.40

KT Chi tiết 7 thuộc cơ cấu dẫn hướng

108

KT Gối đỡ 2(Theo hình 3.29)

104

107

(Theo hình 3.29)
Hình

3.41

KT Chi tiết 9 thuộc cơ cấu dẫn hướng
(Theo hình 3.29)

-9-

109


LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành điều khiển và tự động
hóa đã có những bước tiến quan trọng. Quá trình đó đã góp phần không nhỏ vào
việc tăng cường năng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng và độ đồng đều
về chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc của con người,
đặc biệt trong một số công việc có độ an toàn thấp, hoặc có tính độc hại cao…Việc
sử dụng các tay máy robot phục vụ trong công nghiệp đã rất phổ biến từ nhiều năm
trước trên thế giới bởi chất lượng và năng suất đạt được. Nhưng khi bắt đầu, việc sử
dụng còn hạn chế do giá thành và việc điều khiển. Ngày nay, với sự phát triển mạnh
mẽ của khoa học kỹ thuật, các hạn chế trên đã được phần nào khắc phục, và tay máy
robot đã thể hiện vai trò ngày càng lớn. Trong tương lai, tay máy sẽ là những công
nhân chính trong các nhà máy, xí nghiệp, tránh cho con người khỏi môi trường làm

việc độc hại, nguy hiểm. Lượng robot công nghiệp bán ra hàng năm là khá lớn, chủ
yếu từ các nước: Nhật, Đức, Mỹ….
Trong nước ta hiện nay, nhu cầu sử dụng robot đã bắt đầu gia tăng khi các cơ
sở sản xuất đã đủ khả năng trang bị cho mình cơ sở vật chất hiện đại. Nhiều nơi đã
sử dụng robot thay cho sức lao động của con người, trong đó phần lớn là các robot
hàn và lắp ráp. Các viện và các trường đại học cũng có nhiều nghiên cứu thành công
và đủ khả năng chế tạo các tay máy phục vụ cho công nghiệp. Điều này đã cho thấy
sẽ xuất hiện một nền công nghiệp robot trong tương lai. Công nghệ hàn tự động với
robot đã được ứng dụng nhiều trong nghành công nghiệp ở các nước công nghiệp
phát triển như Hoa Kỳ, Nhật Bản, CHLB Đức, Hàn Quốc,….và gần đây là các nước
trong khu vực Đông Nam Á. Để giải phóng sức lao động cho con người, tăng độ
chính xác cũng như công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong ngành dầu khí thì việc
nghiên cứu, ứng dụng cũng như đưa robot hàn ống dẫn dầu khí vào sử dụng đáp
ứng cho ngành này là một vấn đề rất cấp thiết. Bản thân tìm hiểu về lĩnh vực Robot
hàn tôi đã được thầy Phan Bùi Khôi giao và hướng dẫn tìm hiểu về Robot hàn ống
với đề tài “ Thiết kế hệ dẫn động cho robot hàn ống dẫn dầu khí”

- 10 -


Sau nhiều tháng được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Phan Bùi
Khôi cùng với việc tham khảo một số tài liệu có liên quan, theo yêu cầu đặt ra tôi đã
hoàn thành bản luận văn được giao.
Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu , khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất
mong nhận được ý kiến góp ý của quý Thầy, quý Cô và bạn bè, đồng nghiệp.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, quý Thầy,
quý Cô trong Viện cơ khí, Viện đào tạo Sau Đại Học – Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

TÁC GIẢ

- 11 -


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ
1.1 Giới thiệu về Robot
1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển Robot
Thuật ngữ “Robot” lần đầu xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s
Unisersal Robot” của Karel Capek. Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel
Capek bắt đầu được thực hiện. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã
xuất hiện những cánh tay máy chép hình điều khiển từ xa. Vào giữa những năm 50
bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình
thủy lực và điện tử, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General
Eletric. 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 năm 1959.
Chiếc robot công nghiệp được đưa vào 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. Đến
năm 1990 đã 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 đến
nhiều sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc.
Từ những năm 80, nhất là vào 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 gia tăng,
giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều tính vượt bậc. Nhờ vậy robot công
nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại.

Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong các lĩnh vực cơ khí, điện
tử, tin học thì sự tích hợp của 3 lĩnh vực đó là cơ điện tử cũng phát triển và được coi

- 12 -


là một trong quá trình hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước. Khả năng làm việc
của robot thì có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng và độ chính xác cao, hiệu quả và
kinh tế cao, làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được,
trong các công việc đòi hỏi phải cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng,
tinh tế và chính xác nên cần có thợ tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng xuốt
ngày thì robot có khả năng thay thế hoàn toàn.
Nhìn chung Robot có những đặc điểm nổi trội như:
- Có thể thực hiện công việc một cách bền bỉ, không biết mệt mỏi nên chất
lượng sản phẩm được giữ ổn định. Giá thành sản phẩm hạ do giảm được chi phí cho
người lao động.
- Nhất là ở nhiều nơi hiện nay cũng cần ứng dụng công nghệ robot để cải
thiện điều kiện lao động vì trong thực tế sản xuất người lao động phải làm việc suốt
buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, ồn ào…quá mức cho phép nhiều lần. Thậm
chí phải làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khỏe con người.
- Mặt khác, khi áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cũng cần lưu ý và
phân tích kỹ toàn bộ hệ thống sản xuất sao cho phù hợp với các nguyên công và phù
hợp với tình hình sản xuất của nhà máy để có thể khai thác tốt nhất tính năng của
robot.
- Hơn nữa robot còn có ưu điểm quan trọng nhất đó là tạo nên khả năng linh
hoạt hóa sản xuất. Mà trong đó kỹ thuật robot và máy vi tính đã đóng vai trò quan
trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt.
So với lúc mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đã có những bước phát triển
vượt bậc. Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỷ trước, với sự góp mặt của máy
tính. Ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy

nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc phức tạp.
Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng
độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình.
Tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng
phạm vi ứng dụng cho robot. Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày

- 13 -


càng nhiều vì một mặt giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên
tục giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng. Mặt khác chi phí về lương và các
khoản phụ cấp cho người lao động ngày càng tăng. Robot ngày càng vạn năng hơn
để có thể đáp ứng làm nhiều việc trên các dây chuyền khác nhau.
1.1.2 Một số định nghĩa về Robot công nghiệp
a. Định nghĩa Robot công nghiệp
Có rất nhiều định nghĩa về Robot, tuy nhiên có thể điểm qua một số định
nghĩa cụ thể như:
Định nghĩa theo  OCT 25686-85 - Nga: Robot công nghiệp là một máy tự
động, được gá đặt cố định hoặc di chuyển 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 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 tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật
chất, theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm
vụ công nghệ khác nhau.
Định nghĩa theo RIA: Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các
chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết dụng cụ hoặc các thiết bị
chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành
các nhiệm vụ khác nhau.

Như vậy có thể nói rằng tùy theo các quan điểm nhìn vấn đề ở các góc độ
khác nhau mà các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực robot có những định nghĩa khác
nhau.
Có thể nói Robot công nghiệp là một tay máy tự động linh hoạt thay thế từng
phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong
nhiều khả năng thích nghi khác nhau.

- 14 -


b. Bậc tự do của Robot
Thông thường tay máy có trên một bậc tự do. Số bậc tự do hay bậc chuyển
động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt
động. Trong lĩnh vực robot học người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động (Có thể
là chuyển động thẳng, dọc theo hoặc song song với một trục, hoặc chuyển động
quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó là một tọa độ suy rộng dùng để xác
định vị trí của trục trong không gian hoạt động. Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu
tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng.
Thông qua khảo sát thực tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt
của tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có số bậc tự do chuyển
động cao. Tuy nhiên số bậc chuyển động này không nên quá 6, lý do chính là với 6
bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt
của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng thao tác ( nằm trong cùng
không gian hoạt động của nó ) theo mọi hướng. Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn
sáu sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn. Sáu bậc chuyển động được bố trí gồm:
Ba bậc chuyển động cơ bản (hay chuyển động định vị)
Về mặt nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu được liên kết với nhau
thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở. Khớp động được sử
dụng trên các tay máy thường là các khớp loại 5 ( Khớp tịnh tiến hoặc khớp quay
loại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển. Tay

máy có số bậc chuyển động độc lập thường là từ ba trở lên (ta gọi là bậc tự do hay
bậc chuyển động). Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh tiến
hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất là
một khả năng chuyển động độc lập và thường là một. Như vậy khái niệm bậc tự do
hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một tay
máy có thể thực hiện được. Trường hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả
năng chuyển động độc lập thì tay máy có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc
chuyển động và cũng có từng ấy khớp hay trục. Các chuyển động cơ bản, hay

- 15 -


chuyển động chính trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hưởng quyết
định đến dạng hình học của không gian hoạt động của nó. Các chuyển động này
thực hiện việc chuyển dời cổ tay của tay máy đến những vị trí khác nhau trong vùng
không gian hoạt động của tay máy vì vậy còn được gọi là các chuyển động định vị.
Phần ngoài cùng của tay máy thường có dạng một tay gấp, một bộ phận làm
việc với đối tượng thao tác và đối với Robot hàn thì được thay thế bởi các dụng cụ
công nghệ như ống đưa dây hàn, mỏ hàn…
Để thuận tiện trong việc điều khiển, mỗi bậc chuyển động của tay máy
thường là có nguồn dẫn động riêng, có thể là nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện….
Ba bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng)
Một tay máy đều yêu cầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối
(ống dẫn dây hàn..) có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng
hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra. Để hoàn toàn định hướng đến tư thế làm
việc với đối tượng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như các
chuyển động xoay của cổ tay người, ba khớp loại 5 được sử dụng để xoay khâu tác
động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của
nó. Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên được gọi là các chuyển động định
hướng nhằm tăng khả năng linh hoạt giúp tay máy có thể dễ dàng định hướng của

khâu tác động cuối đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đối tượng thao tác, cũng
như tăng khả năng tránh chướng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện
tính chất động lực học của tay máy. Tuy nhiên điều cần lưu ý ở đây là thêm càng
nhiều bậc chuyển động một mặt làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt khác
cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển tức là làm tăng sai số tích
lũy trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối. Điều này đồng nghĩa với sự gia
tăng về chi phí và thời gian sản xuất và bảo dưỡng robot.
Số bậc tự do của Robot được tính theo công thức sau:
k

f =  (n  k )   f i  f c  f p (1.1)
i 1

Trong đó:

- 16 -


f : Số bậc tự do của robot

n: Số khâu động của robot
 : Số bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của

Robot (  =3,  =6 tương ứng lần lượt với không gian hai chiều và ba chiều).
f i : Số bậc tự do của khớp i.

k: Tổng số khớp của cơ cấu.
f c : Số liên kết thừa
f p : Số bậc tự do thừa

c. Trường công tác của robot:
Trường công tác hay vùng làm việc, không gian công tác của robot là toàn bộ
thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển
động có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng
như các ràng buộc cơ học của các khớp.

Hình 1.1 Trường công tác của Robot
1.1.3 Không gian hoạt động của Robot
Không gian hoạt động của Robot có thể được phân ra như sau:
- Tay máy tọa độ góc
Đây là kiểu Robot được dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các
chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với 2 trục kia, các chuyển động

- 17 -


định hướng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy này
gần giống một phần khối cầu.

Hình 1.2 Tay máy tọa độ góc
- Tay máy tọa độ trụ
Trường công tác của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường khớp thứ nhất
chuyển động quay. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ 1.6. có
nhiều robot kiểu toạ độ trụ như: Robot Versatran của hãng AMF (Mỹ).

Hình 1.3 Tay máy tọa độ trụ
- Tay máy tọa độ cầu
Trường công tác của Robot có dạng hình cầu. Thường độ cứng vững của loại
Robot này thấp hơn so với hai loại trên.

Hình 1.4 Tay máy tọa độ cầu

- 18 -


- Tay máy khớp bản lề và SCARA
Là một loại robot nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất. Tên
gọi Scara là viết tắt của “Selective Compliant articulated robot arm” – tay máy mềm
dẻo tùy ý. Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp. Ba khớp đầu tiên
của Robot có cấu hình r.r.t, các trục khớp đều có phương thẳng đứng như hình 1.5

Hình 1.5 Tay máy khớp bản lề
Tay máy tọa độ Đềcác:
Là Robot có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa
độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữ nhật, loại tay máy này
có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo. Ví dụ như robot có 3 bậc tự
do như hình vẽ, được dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…

Hình 1.6 Tay máy tọa độ Đềcác

- 19 -


1.1.4 Các khớp đặc trưng sử dụng trong Robot
Ta biết robot nói chung là một hệ tự động linh hoạt bao gồm các hệ thống cơ
bản như đã trình bày ở trên, riêng xét về mặt cơ học thì robot là một hệ nhiều vật
hay còn được gọi là các khâu được ghép lại với nhau bằng các khớp. Có sáu loại
khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các cơ cấu máy và robot,
cụ thể như:
* Khớp quay (Revolute Joint-R): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển

động quay tương đối với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của
khớp. Khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần
khớp. Khớp quay còn gọi là khớp bản lề.

Hình 1.7 Khớp quay

* Khớp lăng trụ (Prismatic-P): Cho phép hai thành phần của khớp trượt với
nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp. Do đó khớp lăng
trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp. Khớp lăng
trụ còn gọi là khớp tịnh tiến.

Hình 1.8 Khớp lăng trụ

- 20 -


* Khớp trụ (Cyrlindrical Joint – C): Cho phép hai thành phần của khớp có
hai chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh một trục và một
chuyển động tịnh tiến dọc theo trục quay đó. Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng
chuyển động giữa hai thành phần của khớp.

Hình 1.9 Khớp trụ

* Khớp ren (Helical Joint – H): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển
động quay quanh một trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển
động tịnh tiến phụ thuộc chuyển động quay bởi bước vít. Do đó khớp ren hạn chế 5
khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.

Hình 1.10 Khớp ren

* Khớp cầu (Spherical Joint –S): Cho phép hai thành phần của khớp thực
hiện chuyển động quay giữa hai khâu quanh tâm cầu theo tất cả các hướng. Do đó
khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.

Hình 1.11 Khớp cầu

- 21 -


* Khớp phẳng (Plane Joint – P): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển
động tịnh tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục
vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc. Do đó khớp phẳng hạn chế ba khả năng chuyển
động giữa hai thành phần của khớp.

Hình 1.12 Khớp phẳng

* Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair – G): Hai bánh răng ăn khớp, cho phép
một bánh răng lăn và trượt với bánh răng kia tại điểm tiếp xúc giữa hai bánh răng ăn
khớp. Do đó khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động.

Hình 1.13 Khớp bánh răng phẳng

* Khớp cam phẳng (Cam Pair – Cp): Là khớp được tạo bởi sự chuyển động
tiếp xúc giữa hai cam. Khớp này hạn chế bốn khả năng chuyển động.

- 22 -


1.2 Giới thiệu sơ lƣợc về robot hàn
Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong công nghiệp

sản xuất ôtô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu như Nhật, Đức, Hoa
Kỳ…..và gần đây là một số các nước phát triển ở Đông Nam Á. Sau đó, công nghệ
hàn tự động với robot được áp dụng trong các nghành đóng tàu biển, dầu khí, chế
tạo máy….
Hiện nay robot hàn là loại robot công nghiệp được sử dụng nhiều nhất ở Việt
Nam trong các xưởng, xí nghiệp cơ khí. Yêu cầu đối với thao tác công nghệ của
robot hàn là mũi hàn chuyển động theo một quy luật xác định để tạo được mối hàn
theo yêu cầu kỹ thuật. Quỹ đạo chuyển động của mũi hàn thường là một đường
cong trên vật hàn hoặc là mép hàn, là chỗ ghép nối giữa các chi tiết hàn. Đảm bảo
quy luật chuyển động của mũi hàn chính là đảm bảo vị trí của mũi hàn đối với mép
hàn và hướng của đầu mũi hàn theo yêu cầu của kỹ thuật hàn.
Trong công nghệ hàn thì được chia ra hai loại đó là hàn điểm và hàn đường.
Ta có một số loại robot hàn cắt thông dụng trong công nghiệp như:

Hình 1.14 Phân loại Robot hàn cắt thông dụng
Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot
nhiều nhất: Mỗi khung xe được cố định vào một palette và được điều khiển di
chuyển khắp nhà máy. Khi khung xe đến trạm hàn, bộ phận kẹp sẽ cố định các chi

- 23 -


tiết đúng vào vị trí cần thiết trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn
được lập trình trước.

Hình 1.15 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
Robot cũng được ứng dụng nhiều trong công nghệ hàn theo vết hoặc hàn
theo đường dẫn liên tục – còn gọi là hàn đường. Hàn đường thường được thực hiện
bằng tay. Tuy nhiên, năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan
đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt phát

ra trong quá trình hàn.
Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn
trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại. Những hệ
thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi
tiết được hàn và sau đó robot di chuyển dọc theo quỹ đạo được lập trình trước. Ưu
điểm so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định. Người vận hành chỉ
thực hiện công việc là kẹp chặt các chi tiết và lấy sản phẩm sau khi hàn xong. Có
thể thực hiện tăng năng suất bằng các trang bị bàn định vị quay nhờ đó người vận
hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết khác.

- 24 -


Hình 1.16 Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC
Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai
trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong
không đồng dạng. Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt là
đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng. Hơn nữa, đường hàn có thể không
xử lý được với mỏ hàn khi nó bị che khuất bởi chi tiết khác. Thợ hàn tay phải xử lý
khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau. Gần đây các nghiên cứu
tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị
chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất lượng mối hàn lại tăng. Cảm
biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí đúng của
đường hàn. Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và
kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng
cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho
lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi. Xác định đường hàn cho các vật thể ba
chiều phức tạp hơn so với các tấm phẳng vì thường cần phải mô hình hóa hình học
để định ra đường di chuyển của robot.
Công cụ lập trình cho robot hàn:

Trong thực tế có rất nhiều công cụ lập trình cho robot như keyboard, teach
pendant, simulator…Nhưng đặc biệt đối với các robot hàn, người ta hầu như sử
dụng Teach pendant như một công cụ lập trình hiệu quả nhất. Vì thực chất thì Teach

- 25 -