Nghiên cứu robot hàn cắt gia công đường ống dẫn dầu, khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Họ và tên : Dương Quốc Khánh

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ROBOT HÀN – CẮT
GIA CÔNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ

Chuyên ngành : Cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. PGS.TS Phan Bùi Khôi

2.

Hà Nội – Năm 2011


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn: “Nghiên cứu, thiết kế robot hàn –
cắt robot gia công đường ống dẫn dầu, khí” là do tôi tự khảo sát, nghiên
cứu và thiết kế, hoàn toàn không có sự sao chép của các luận văn khác. Bản
luận văn này hoàn thành nhờ sự hướng dẫn hết sức tận tình của thầy giáo
PGS.TS Phan Bùi Khôi và sự chia sẻ đóng góp ý kiến của các thầy cô trong

Bộ môn và các bạn bè đồng nghiệp.
Trong quá trình khảo sát, nghiên cứu và thiết kế tôi đã sử dụng một số
tài liệu đã ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và tài liệu của Bộ môn mà
không sử dụng hoặc sao chép ở các tài liệu khác.

Học viên

Dương Quốc Khánh

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 1


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan

1

Mở đầu

4

Chương 1: Tổng quan về đề tài

5

1.1 Tổng quan về công nghệ hàn và hàn hồ quang.

5

1.2 Hàn tự động trong công nghiệp và robot hàn

10

1.3 Ứng dụng robot trong thi công hàn

12

Chương 2: Mô tả cấu trúc robot hàn ống, lý thuyết khảo sát động học động
lực học robot

13

2.1.Cấu trúc và sơ đồ động học

13

2.2. Khảo sát động học robot

24

2.3 Động lực học robot

26

2.4 Bài toán lập trình quĩ đạo

27

Chương 3: Khảo sát động học động lực học robot

28

3.1.Kết quả khảo sát động học

28

3.2.Động lực học robot hàn ống

30

3.3 Khảo sát vị trí robot hàn ống

43

3.4.Mô phỏng hoạt động robot

76

Chương 4: Thiết kế robot

77

4.1.Thiết kế các khâu robot

77

4.2.Qui trình công nghệ gia công 1 khâu robot

80

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 2


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

4.3.Kiểm nghiệm đồ bền bằng phần mềm Cosmos Work

81

Tài liệu tham khảo

82

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 3


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

MỞ ĐẦU

Công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền sản xuất đang là một xu hướng tất yếu của
nền văn minh hiện đại. Vấn đề cấp bách hiện nay, ngoài việc sự tăng năng suất của quá
trình sản xuất là giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, nhàm chán của công việc
(do sự lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc đơn giản), sự nguy hiểm của môi
trường lao động như sự nóng bức tại các lò hơi, sự ô nhiễm bụi bặm của các hầm lò, sự
nguy hiểm ở dưới đáy đại dương và trên vũ trụ… Để có thể khắc phục được những vấn
đề vừa nêu, các công ty trong nước phát triển đã đưa các robot vào các dây chuyền sản
xuất. Trong đó trong lĩnh vực hàn robot được ứng dụng khá rộng rãi
Hàn tự động có độ chính xác và năng suất cao. 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 cùng
qui cách.
Trong vận tải đường ống, các ống cỡ lớn thường sử dụng robot tự hành dẫn
hướng bằng ray, đây là robot chuyên dụng cho hàn ống với khả năng tự hành. Với việc
di chuyển linh hoạt trên không gian lớn bởi đường ray quanh ống, robot có thể thay
người làm việc trên không gian thao tác chênh vênh với độ chính xác và năng suất cao
hơn hẳn. Nhằm có thể đưa loại hình robot này vào chế tạo sản xuất, dưới sự hướng dẫn
của thầy giáo PGS.TS Phan Bùi Khôi, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế robot hàn
– cắt gia công đường ống dẫn dầu khí”. Hướng nghiên cứu của đề tài là bước đầu
tiên phân tích yêu cầu làm việc để tính toán và thiết kế robot.

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 4

Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Tổng quan về công nghệ hàn và hàn hồ quang.
Hàn là phương pháp rẻ tiền và hiệu quả nhất để nối cứng 2 chi tiết kim loại với
nhau. Một mối hàn được tạo ra bằng cách đốt nóng kim loại tới điểm nóng chảy trong
đó có hoặc không dùng lực tác dụng và kim loại điền đầy. Có nhiều quá trình hàn khác
nhau, sử dụng nhiều loại nguồn nhiệt khác nhau. Hai phương pháp hàn chính là hàn hồ
quang và hàn điểm (hàn đối kháng)
Hàn được coi là khâu phức tạp nhất trong các quá trình chế tạo. Để tự động hóa
quá trình hàn cần phải hiểu nguyên lý khoa học đằng sau nó.
Hàn hồ quang
Hàn hồ quang là phương pháp nối hai miếng kim loại bằng cách làm nóng chảy
chúng hoặc một dây kim loại trung gian, nhiệt sinh ra từ một hồ quang điện giữa các
vật hàn và đầu que hàn. Qúa trình hàn có thể cần hoặc không cần kim loại điền đầy.
Điện cực có thể là dây kim loại tự tiêu hoặc que các-bon hay que tăng-xtan không tự
tiêu. Khi dùng điện cực không tự tiêu, kim loại điền đầy có thể lấy từ một dây kim loại
phụ. Còn điện cực tự tiêu vừa mang dòng điện hàn, vừa nóng chảy và điền đầy kim
loại vào mối hàn.

Hình 1- 1. Hàn hồ quang

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 5

Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

Che chắn hồ quang
Một trong những vấn đề chính trong quá trình hàn là khi kim loại nóng lên,
chúng sẽ tương tác hóa học với không khí. Có nhiều phương pháp cách ly vật hàn khỏi
không khí xung quanh. Nếu dùng khí trơ thì quá trình hàn gọi là hàn hồ quang khí trơ.
Hàn hồ quang lõi thuốc giống như hàn hồ quang khí trơ, chỉ khác ở điện cực. Kỹ thuật
hàn này dùng để nối các miếng kim loại dày, như ở các bình cao áp, ống cống, ống
gas. Hàn hồ quang tăng-xtan khí trơ và hàn hồ quang plasma cũng là những kỹ thuật
hàn được dùng phổ biến.
Mạch hàn cơ bản
Hồ quang được tạo ra giữa khe hở khi chạm điện cực vào vật hàn rồi nhấc ra
nhưng vẫn giữ tiếp xúc gần. Hồ quang sinh ra nhiệt độ khoảng 3600oC tại đầu que
hàn. Nhiệt này làm nóng chảy cả kim loại nền và điện cực, tạo ra một vũng kim loại
nóng chảy, nó đông cứng sau khi điện cực di chuyển tới vị trí tiếp theo dọc mối hàn.

Hình 1-2. Mạch hàn cơ bản
Các tham số của quá trình hàn hồ quang khí trơ
Trong các quá trình hàn hồ quang, có một số tham số ảnh hưởng tới kích thước,
hình dạng, chất lượng và độ bền của mối hàn.
Các tham số chính gồm: Dòng điện hàn, điện áp hồ quang, tốc độ di chuyển điện cực

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 6


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

Các tham số phụ gồm: Góc giữa điện cực và vật hàn, góc giữa các vật hàn, độ dày của
lớp thuốc, độ dài của hồ quang.
Kích thước và kiểu điện cực trong hàn hồ quang kim loại có cách ly xác định
các yêu cầu về điện áp hồ quang và cường độ dòng điện. Dòng điện có thể là một
chiều hoặc xoay chiều, nhưng nguồn điện phải có thể thay đổi điện áp, cường độ để
phản ứng với các biến phức tạp của chính quá trình hàn. Ở cường độ thấp, dòng một
chiều hiệu quả hơn nên dùng để hàn các tấm kim loại mỏng. Hầu hết các điện cực có
lớp thuốc hoạt động tốt nhất với dương cực (phân cực ngược), cho khả năng xuyên sâu
nhất. Trong khi đó âm cực lại tạo ra tốc độ nóng chảy cao hơn.
-

Cường độ dòng điện
Cách xác định cường độ hợp lý cho một điện cực nhất định tùy thuộc vào kích

thước và kiểu điện cực đó. Thậm chí còn phải tính đến kiểu nối và vị trí mối hàn. Qúa
trình đòi hỏi cường độ dòng điện đủ lớn để làm chảy cả điện cực và một lượng vừa đủ
lớp kim loại nền. Cường độ càng lớn, thì độ xuyên thấu càng sâu. Cường độ cao có thể
dẫn tới các vấn đề như quá nhiều vẩy hàn, quá nhiệt hoặc nứt gãy điện cực.
-

Điện áp hồ quang
Điện áp hồ quang thay đổi ít hơn so với dòng điện hàn. Nó ảnh hưởng tới hình

dạng và độ rộng của ngọn lửa hồ quang. Điện áp càng cao thì ngọn lửa hồ quang càng
rộng và dẹt. Phải tránh điện áp quá cao vì nó gây ra nứt gãy. Điện áp thấp sinh ra hồ
quang hẹp hơn, xuyên sâu hơn.
-

Tốc độ di chuyển
Tốc độ di chuyển điện cực dọc mối hàn có ảnh hưởng trực tiếp tới hình dạng

ngọn lửa hồ quang, độ sâu nóng chảy, tính thẩm mỹ (bề mặt), và sức nóng truyền vào
kim loại nền. Tốc độ di chuyển nhanh tạo ra đường hàn hẹp hơn nhưng ít sâu hơn.
Cách này thích hợp để hàn các tấm kim loại. Tốc độ di chuyển cũng ảnh hưởng tới sức
nóng, do vậy ảnh hưởng tới cấu trúc luyện kim của kim loại. Tốc độ làm nguội tăng

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 7


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

hay giảm phải tỷ lệ với tốc độ di chuyển. Ngoài ra, vùng chịu nhiệt sẽ tăng kích thước
trong khi tốc độ nguội giảm. Tốc độ di chuyển và làm nguội quá nhanh dẫn tới xu
hướng làm xốp vì mối hàn đông cứng nhanh hơn.
-

Độ dài hồ quang
Độ dài hồ quang là khoảng cách từ đầu nóng chảy của lõi điện cực tới vũng hàn

nóng chảy. Nói chung, độ dài này tăng khi kích thước điện cực và cường độ dòng điện
hàn tăng. Độ dài hồ quang thường được giới hạn bằng đường kính lõi điện cực.
1.2. Hàn tự động trong công nghiệp và robot hàn
1.2.1.

Hàn tự động trong quá trình công nghiệp.

Trong công nghiệp các nguyên công hàn ứng dụng robot rất phổ biến trong các
ngành công nghiệp như ôtô – xe máy, máy bay, đóng tàu biển, các ngành công nghiệp
liên quan đến vận tải đường ống như dầu khí, hóa chất…
Sản phẩm phù hợp nhất để ứng dụng robot hàn thường hội tụ các đặc điểm:
- Độ phức tạp về mặt tạo hình;
- Tính chính xác và chính xác lặp lại cao;
- Sản phẩm loạt lớn, hàng khối;
- Các sản phẩm có khuynh hướng không mô tả tạo hình bằng bản vẽ truyền
thống, tạo hình thông qua liên kết CAD/CAM, mô tả hình học bằng file NC code
thông qua nội suy trên mô hình toán;
- Các sản phẩm gia công trong môi trường nóng, ẩm, độc hại, áp suất cao;
Thiết bị hàn hồ quang tự động khác hẳn thiết bị hàn tay. Hàn hồ quang tự động
thường có chu kỳ làm việc cao và yêu cầu các thiết bị hàn phải hoạt động dưới những
điều kiện khắc nghiệt. Ngoài ra mỗi thành phần của hệ thống phải có đủ tính năng và
điều khiển để giao tiếp với hệ điều khiển trung tâm.

Các thiết bị trong hàn tự động

bao gồm
• Robot hàn hồ quang
• Nguồn điện (máy hàn)

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 8

Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

• Súng hàn
• Bộ làm sạch súng hàn: đầu súng hàn gần hồ quang và dần dần dính vẩy hàn, cần
phải làm sạch.
• Bộ cấp điện cực: để bù lại dây điện cực tiêu hao khi hàn.
• Đồ gá hàn và tay hàn giữ và định vị các chi tiết để đảm bảo mối hàn sẽ được
robot thực hiện chính xác.
• Bộ định tâm: để đảm bảo que hàn và khung hàn biết vị trí của nhau, cần phải
liên tục hiệu chỉnh trọng tâm của hệ thống. Qúa trình này được thực hiện nhờ
một thiết bị định tâm tự động.
1.2.2. Robot hàn hồ quang
Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay có khớp hoặc
xoay. Loại robot trục Đề-các chỉ được dùng cho các robot rất
lớn hoặc rất nhỏ. Cánh tay robot được sử dụng nhiều do nó
cho phép súng hàn chuyển động như cách con người thao tác.
Góc súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở mọi vị
trí, nhất là ở những vị trí khó tiếp cận. Cánh tay robot cũng
gọn nhẹ nhất và có tầm với lớn nhất. Thường các robot hàn có
5-6 trục tự do, lập trình được. Các cánh tay robot do nhiều nhà
cung cấp bán sẵn như ABB, FANUC, PANASONIC, KUKA, MOTOMAN
Như các thiết bị công nghệ khác, đặc tính kỹ thuật là thông số quan trọng để lựa
chọn, khai thác và vận hành thiết bị. Robot hàn là một thiết bị cơ điện tử điển hình, các
đặc tính của nó bao gồm nhiều thông số thuộc các chuyên

Hình 2 – 9. Robot Almega

môn khác nhau.

Kĩ sư thiết kế robot sẽ cung cấp các thông tin sau:
- Bậc tự do;
- Sơ đồ động học;
- Tầm với max, min;
- Tốc độ di chuyển cực đại theo các phương của hệ quy chiếu cơ sở;
- Giới hạn chuyển động của từng khớp trên cánh tay;

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 9


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

Kỹ sư công nghệ hàn là người sử dụng robot cần quyết định chế độ công nghệ
gồm các thông tin sau để điều chỉnh máy:
- Vh tốc độ hàn;
- Kp Hệ số đắp;
- Ih Cường độ dòng hàn;
- ψ hệ số tổn thất que hàn;
- Fht lượng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đường hàn;
- γ Tỉ khối kim loại hàn;
- Ih Cường độ dòng hàn;
- Tốc độ chạy dây;
- Vận tốc di chuyển mỏ hàn;
- Lưu lượng khí bảo vệ;
- Khoảng cách từ mỏ hàn đến bề mặt gia công.

1.3. Ứng dụng robot trong thi công hàn - cắt ống dẫn dầu khí
Thuật ngữ ống ở đây được hiểu là một vật thể có profil mặt cắt ngang kín, rỗng
phía trong, thông thường ống là các chi tiết thành mỏng.
Mối ghép hàn các chi tiết dạng ống thường gặp nhất trong các lĩnh vực như vận
tải chất lỏng hoặc chất khí áp lực cao, kết cấu khung xe hơi hoặc xe máy, ống dẫn lưu
chất áp lực thông thường song có kích thước lớn.
Hàn ống có đặc điểm quỹ đạo là đường cong ghềnh trong không gian, vật hàn
cần chuẩn bị tạo hình sơ bộ cho phù hợp khi tiếp xúc. Vì vậy cùng một quỹ đạo giao
tuyến giữa hai vật hàn, trước khi hàn robot sử dụng mỏ cắt để cắt rời các phần thừa,
tạo hình phần tiếp xúc trên vật hàn trước khi chạy lặp lại quỹ đạo đó thực hiện quá
trình hàn ghép cứng hai vật.
Mối ghép ống bằng phương pháp hàn là dạng mối ghép có nhiều đặc điểm nên
ứng dụng robot như đã nhắc tới ở phần đầu chương vì:
- Giao tuyến phức tạp;

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 10


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

- Yêu cầu độ chính xác cao;
- Yêu cầu tuổi bền cao.

1.3.1.

Công nghệ vận tải đường ống trong dầu khí

Sản phẩm của nghành dầu khí thường dưới dạng chất lỏng hoặc khí với đặc điểm
khai thác trên biển không thuận tiện cho việc chuyên chở bằng tàu thuyền, hình thức
vận tải chủ yếu của nghành dầu khí là sử dụng đường ống.
Vận tải đường ống cho giá thành rẻ, ít phải bảo trì cũng như lượng tổn thất trong quá
trình vận tải là nhỏ hơn các hình thức khác. Ống sử dụng trong vận tải sản phẩm dầu
khí vì lý do độ bền, thường chế tạo bằng thép trong khoảng 150 – 500 mm hoặc hơn
nữa.
Do áp lực trong lòng ống lớn để vận chuyển trên khoảng cách xa, mặt khác chịu
các tác động ngẫu nhiên từ môi trường nên độ bền của mối ghép là vấn đề quan tâm
hàng đầu. Ở khía cạnh này, ống dẫn thường không ghép bằng ren, do chúng có kích
thước lớn, mặt khác độ bền và độ kín khít của mối ghép đạt được với chi phí lớn hơn
nhiều so với mối ghép bằng hàn. Đặc biệt với kích thước lớn, việc thi công lại diễn ra
trên biển, mối ghép ren không phải là lựa chọn trong trường hợp thiếu thiết bị hỗ trợ
chuyên dùng.

1.3.2

Định hướng của luận văn

Trong vận tải đường ống, các ống cỡ lớn thường sử dụng robot tự hành dẫn
hướng bằng ray, đây là robot chuyên dụng cho hàn ống với khả năng tự hành giới hạn.
Hiện nay ở Việt Nam robot loại này có ứng dụng tại Petrolimex, tuy nhiên chưa có nhà
cung cấp chính thức tại Việt Nam.
Nhằm đáp ứng nhu cầu về sử dụng robot này trong thời gian tới, tác giả luận
văn lựa chọn đề tài “tính toán thiết kế robot hàn – cắt đường ống dầu khí”.

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 11

Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

Luận văn này tập trung phân tích các yêu cầu về kỹ thuật đặt ra với robot hàn ống
cỡ lớn, phân tích động học và động lực học robot, sau đó dựa trên các tính toán để thiết
kế sơ bộ cấu trúc robot, mô phỏng thử nghiệm robot trên phần mềm Visual C++6 và
thư viện đồ họa Open GL.
Thực tế cho thấy, nhu cầu về sản xuất và sử dụng robot trong nước đang hàng
ngày tăng lên, các kênh chính thức về chuyển giao công nghệ, mua bán thiết bị đã hình
thành trong khi nhân lực được đào tạo và các nghiên cứu khoa học trong nước hiện
nay có thể không theo kịp thực tế.
Trong nỗ lực chung nhằm bắt kịp với trình độ robot của khu vực và thế giới
luận văn này chọn giải quyết các vấn đề thực tế đặt ra về robot hàn đường ống cỡ lớn,
những nghiên cứu này hướng tới đón đầu sự phát triển thị trường vận tải đường ống
của ngành dầu khí Việt Nam tương lai.

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 12


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh
Chương 2
MÔ TẢ CẤU TRÚC ROBOT HÀN ỐNG

LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

2.1. Cấu trúc và sơ đồ động học
Trong quá trình hàn ống, vì vật hàn có khối lượng và kích thước lớn nên sẽ là tối
ưu nếu các chuyển động tương đối trong quá trình gia công do robot thực hiện (vật hàn
đứng yên)
Phần định hướng mỏ hàn, do mỏ hàn có cấu tạo uốn cong đặc biệt trong khi hàn
để ổn định chất lượng mối hàn và luôn hướng phần kim loại nóng chảy vào mối ghép
tốt nhất, trục mỏ hàn là phân giác ngoài của cạnh phôi, trong đường kéo dài của trục
mỏ hàn cần xuyên tâm ở tất cả các vị trí.
Như vậy từ yêu cầu định vị và định hướng mỏ hàn, cần 6 bậc tự do tương đối
giữa mũi hàn và điểm hàn. Yêu cầu về không gian làm việc lớn, cần một bậc tự do tự
hành độc lập của robot để di chuyển toàn bộ robot đến miền làm việc mới. Như vậy
cần cơ cấu tự hành gắn ở đế (khâu 0) của robot.
Trên cơ sở phân tích các chuyển động cần thiết như trên có thể thấy robot cần có
6 bậc tự do, ngoài ra cần một bậc tự do tịnh tiến ở giá dẫn hướng trên ray thay vì cố
định.

2.1.1. Nguyên lý cấu trúc robot hàn
Các thành phần cơ bản của robot hàn bao gồm tay máy và dụng cụ thao tác
Tay máy là cánh tay robot, bao gồm các đoạn được gán khớp với nhau, có khả
năng chuyển động theo nhiều hướng khác nhau, cho phép robot làm việc. Khâu thao
tác, gán cố định trên tay máy thực hiện công việc
Cổ tay phải có khả năng làm bàn tay tiếp cận 1 điểm trong không gian theo 1
hướng đặc biệt bởi 3 chuyển động: Pitch (Chuyển động lên xuống), Yaw (chuyển động
trái qua phải) và Roll (Tự quay). Các khớp Roll, Pitch, Yaw được gọi là các trục định
hướng.

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 13


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

Như vậy 3 khâu cuối của tay máy phải được thiết kế để có thể dụng cụ có thể thực
hiện được 3 chuyển động này của khâu thao tác. Đây là 3 chuyển động Độc lập tuyến
tính

Phần thân robot phải có khả năng đưa cổ tay đến các vị trí trong không
gian, như vậy phải thực hiện được 3 chuyển động theo trục X, Y, Z trong hệ tọa độ cố
định
- Trục X: hướng di chuyển tay máy từ sau ra trước
- Trục Y: hướng di chuyển tay máy từ trái qua phải
- Trục Z: hướng di chuyển tay máy dưới lên trên
Thiết kế cơ khí của tay máy liên quan trực tiếp đến môi trường làm việc và các
đặc tính chuyển động. Nhằm tạo độ cứng vững trong khi làm việc, khớp đầu tiên phải
tự quanh trục (Quay quanh Z) nhằm tránh các lực quán tính lệch tâm gây ra bởi trọng
lực. Hai trục tiếp theo có khả năng đưa điểm cuối khâu 3 di chuyển theo 2 trục X và Y
như vậy cần tổ hợp của các chuyển động quay bản lề và chuyển động tịnh tiến.

2.1.2. Sơ đồ động học robot

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 14

Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

Hình 2 -2: Sơ đồ động học robot hàn ống di động

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 15


Luận văn thạc sĩ
2.2.

Dương Quốc Khánh

Khảo sát động học Robot
2.2.1. Trạng thái vật rắn trong không

gian
Trạng thái vật rắn trong không gian, bao
gồm vị trí và hướng của đối tượng có thể được xác
định bởi 6 thông số, mô tả mối liên hệ giữa hệ tọa
độ cố định và hệ tọa độ động gắn cứng vào vật rắn.
Trong đó 3 tham số mô tả vị trí gốc hệ tọa độ
động, 3 tham số biểu diễn hướng của vật rắn với
hệ tọa độ tham chiếu.
a) Ma trận Cosin chỉ hướng:
Ma trận cosin chỉ hướng mô tả mối liên hệ hướng giữa hệ tọa độ động và hệ tọa
độ cố định.

Gọi i, j, k là các vecto đơn vị của các trục hệ tọa độ cố
định

u, v, w là các vectơ đơn vị hệ tọa độ động

(Ở đây gốc 2 hệ tọa độ trùng nhau)
Trong hệ tọa độ cố định A:

Vecto p bất kì được biểu diễn theo các vecto đơn vị của 2 hệ:

Vậy

A

p = pxi + py j + pzk

B

p = pu u + p v v + p w w

A

p = A R B .B p

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 16


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

⎡u x
A
R B = ⎢⎢u y
⎢⎣u z

w x ⎤ ⎡ a11 a12
w y ⎥⎥ = ⎢⎢a 21 a 22
w z ⎥⎦ ⎢⎣a 31 a 32

vx
vy
vz

Ta gọi ma trận

A

a13 ⎤
a 23 ⎥⎥
a 33 ⎥⎦

R B là ma trận cosin chỉ hướng của hệ tọa độ động so

với hệ tọa độ cố định A. Ma trận cosin chủ hướng mô tả hướng của B so với hệ
tọa độ A, chuyển tọa độ vị trí vector của điểm P bất ký trong hệ tọa độ động đến
hệ tọa độ cố định. Ma trận

A

RB

có 9 phần tử nhưng chỉ có 3 phần tử độc lập,

như vậy có thể chọn 1 bộ thông số gồm 3 phần tử để biểu diễn hướng của vật
rắn trong không gian.

b) Định hướng vật rắn bằng các góc RPY
Việc định hướng hệ tọa độ gắn với mũi hàn ta thực hiện bằng cách quay hệ gốc lần
lượt quanh trục z, y, x của hệ tọa độ động (các góc ZYX) với các góc lần lượt là ( φ , θ
, ψ), để hệ tọa độ sau 3 phép biến đổi trùng với hệ tọa độ động gắn trên mũi hàn. Có
thể chứng minh được mỗi hướng của vật thể tương ứng với chỉ một bộ 3 thông số góc
quay này. Ba góc ( φ , θ, ψ) được gọi là 3 góc ZYX định hướng đối tượng.
Sử dụng các góc ZYX, có thể quay hệ qui chiếu Ox0y0z0 sang hệ Oxfiyfizfi bằng 3
phép quay như sau

Ma trận biểu diễn hướng của vật rắn sử dụng 3 góc ZYX nhận được từ tích 3 ma
trận quay cơ bản
AE = R (z, φ ) R(y, θ) R(x, ψ)
Thay các ma trận quay cơ bản vào phương trình trên ta được ma trận cosin chỉ hướng
mô tả hướng của mũi hàn trong hệ tọa độ cơ sở, là hàm của các biến ( φ , θ , ψ)

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 17


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

A ZYX

⎡ Cφ Cθ
⎢
= ⎢ SφCθ
⎢ −Sθ
⎣

CφSθSψ + SφCψ CφSθCψ + SφSψ ⎤
⎥
SφSθSψ + CφSψ SφSθCψ − CφSψ ⎥
⎥
CθSψ
C θ Cψ
⎦

2.2.2 Xây dựng hệ tọa độ vật theo phương pháp Denavit – Hartenberg
Để nghiên cứu động học của Robot, Denavit-Hartenberg đã đề xuất phương án
gán hệ trục tọa độ lên các khâu của Robot, để từ đó chuyển đổi tọa độ của điểm thao
tác về hệ tọa độ gắn liền với hệ qui chiếu cố định. Hệ tọa độ Denavit - Hartenberg
được xây dựng như sau
+ Trục zi-1 được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ i.
+ Trục xi-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của 2 trục zi-1 và zi-2, hướng từ
zi-2 sang zi-1, nếu 2 trục x cắt nhau thì hướng tùy ý.
+ Gốc Oi-1 được chọn tại giao điểm của trục xi-1 và zi-1.
+ Trục yi-1 chọn sao cho (Oxyz)i-1 là hệ qui chiếu thuận.

Hình 2-3. Xây dựng hệ tọa độ gắn vào khâu i theo phương pháp DenavitHartenberg

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 18


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

a) Tham số động học và ma trận Denavit-Hartenberg
Sau khi thiết lập xong các hệ tọa độ, vị trí của hệ tọa độ Oi so với hệ tọa độ Oi-1
được xác định bởi 4 tham số sau đây.
θi là góc quay trục xi-1, xung quanh trục zi theo chiều ngược chiều kim đồng hồ
để phương của các trục tọa độ xi-1 và xi trùng nhau.
di =Oi-1 Oi là khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1
chuyển đến Oi (Oi - giao điểm của trục xi với zi-1 (hình 1.1).
ai là khoảng dịch chuyển dọc theo trục xi để đưa Oi-1 tới điểm Oi.
αi là góc quay quanh trục xi sao cho trục zi-1 chuyển đến trục zi.

Hình 2-4. Các tham số biến đổi 2 hệ tọa độ
Ta có thể chuyển tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ khớp (Oxyz)i bằng các
phép biến đổi cơ bản liên tiếp như sau:
Quay quanh trục zi-1 một góc θi => Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di
=> Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi một đoạn ai => Quay quanh trục xi một góc αi
Ma trận mô tả trạng thái của hệ tọa độ Oi so với hệ độ Oi-1

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 19


Luận văn thạc sĩ

i-1

Dương Quốc Khánh

H i = Rz(θi) Tz(di) Tx(ai) Rx(αi)=

Ma trận

i-1

⎡cosθi
⎢
⎢ sinθi
⎢ 0
⎢
⎣⎢ 0

-sinθi .cosαi sinθi .sinαi a i .cosθi ⎤
⎥
cosθi .cosαi sinθi .sinαi a i .sinθi ⎥
sinαi
cosαi
di ⎥
⎥
0

0
1 ⎦⎥

(2.1)

H i cho biết trạng thái của hệ qui chiếu Ri đối với hệ qui chiếu Ri-1

+ Cột thứ 4 mô tả vị trí của Oi trong hệ Ri-1.
+ Ma trận 3x3 bên trái mô tả hướng của Ri so với Ri-1.

b) Ma trận Trạng thái của khâu cuối

Hình 2-5. Dây chuyền biến đổi từ khâu gốc đến khâu cuối
Khi biết ma trận DH Hi (Trạng thái tọa độ khâu i so với tọa độ khâu i-1), ta biết
được vị trí và hướng của hệ qui chiếu Ri đối với hệ qui chiếu Ri-1. Áp dụng liên tiếp
các phép biến đổi DH đối với n khâu ta có trạng thái hệ tọa độ khâu thứ n so với hệ tọa
độ tham chiếu.
Dn =H1. H2… Hn

2.2.3. Phương trình động học Robot
Nghiên cứu về động học tay máy robot, ta thường chuyển phương trình đại số
liên hệ giữa trạng thái khâu thao tác với các biến khớp. Trạng thái khâu thao tác có thể
được mô tả bởi ma trận chuyển đổi thuần nhất.

Trong đó q – vecto mô tả vị trí điểm tham chiếu gắn trên khâu thao tác

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 20

Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

[u, v, w] – Ma trận mô tả hướng của khâu thao tác
Hướng của khâu thao tác có thể được mô tả bởi bộ tham số Euler, Cardan, RPY… hay
ma trận cosin chỉ hướng của ba trục tọa độ trên khâu thao tác (u, v, w)

Hình 2 -6. Sơ đồ khép vòng robot
Từ cấu trúc hình học của các khâu, ma trận chuyển đổi

0

An

trạng thái khâu cuối

so với hệ tọa độ gốc có thể xem là kết quả của chuỗi các phép biến đổi bắt đầu từ hệ
tọa độ gốc, qua khâu 1,2… cho đến khâu thao tác. Phép biến đổi đó được biểu diễn
0

A1 1 A 2 .. n-1 A n = 0 An

(*)

Phương trình (*) được gọi là phương trình khép vòng của robot dạng chuỗi. Nó bao
gồm 16 phương trình vô hướng, 4 trong số đó là phương trình tầm thường – các
phương trình của hàng thứ tư. Phương trình từ ma trận con 3x1góc bên phải cho hệ 3
phương trình độc lập, biểu diễn vị trí của khâu thao tác. Phương trình thiết lập từ các

phần tử ma trận con 3x3 góc trên bên trái cho 9 phương trình, biểu diễn hướng của
khâu thao tác. Tuy nhiên chủ có 3 trong số 9 phương trình là độc lập bởi điều kiện trực
giao các hàng và cột trong ma trận.
Hệ phương trình (*) được dùng để giải bài toán động học thuận và ngược trong
robot.

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 21


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

Trong động học thuận . các biến khớp được cho trước, bài toán đặt ra cần tìm
trạng thái của khâu thao tác (hướng và vị trí) trong hệ tọa độ gốc. Vấn đề này được
thực hiện bởi việc nhân các ma trận D-H bên tay trái của phương trình (*)

Bài toán động học ngược robot, trạng thái khâu thao tác được cho trước

0

An ,

vấn đề cần tìm các giá trị biến khớp để khâu thao tác đạt được trạng thái mong muốn
đó.

2.2.4. Bài toán động học ngược robot:
Bài toán động học ngược bao gồm các bước sau

- Xây dựng trạng thái mũi hàn tại tất cả các điểm của đường hàn
Dựa trên những yêu cầu công nghệ và vị trí của mối hàn, ta thiết lập trạng thái mũi hàn
tại các điểm trên đường hàn và trạng thái pháp tuyến trục mối hàn.
- Tìm cấu hình của hệ robot để thỏa mãn yêu cầu về trạng thái mũi hàn hoặc các điều
kiện khác đã được thiết lập phía trên
Việc tìm nghiệm giá trị các biến khớp được thực hiện bằng phương pháp số.

a) Động học ngược về vị trí
Mục đích của bài toán động học ngược vị trí, từ trạng thái cần đạt của khâu thao
tác
p= (x, y, z, α, β, γ)
với (x,y,z) là tọa độ định vị, (α, β, γ) là các góc định hướng khâu thao tác, ta cần tìm
các giá trị của biến khớp (q1,..., q6) nhằm đưa khâu cuối của tay máy đạt được trạng
thái mong muốn.
Từ phương trình động học, ta xác định được trạng thái khâu cuối p là hàm của
các biến qi (i=1..6) theo bài toán động học thuân vị trí :

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 22


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh
x= f1 (q1 ,q 2 ,..,q 6 )
y= f 2 (q1 ,q 2 ,..,q 6 )
z= f 3 (q1 ,q 2 ,..,q 6 )
α = f 4 (q1 ,q 2 ,..,q 6 )

hay p= f(q) với f = (f1,f2,..,f6)

(2.9)

β= f5 (q1 ,q 2 ,..,q 6 )
γ = f 6 (q1 ,q 2 ,..,q 6 )

Khi các giá trị p được cho trước, hệ (2.9) là hệ phương trình phi tuyến 6 ẩn. Cách
giải hệ phương trình 6 ẩn có thể tiến hành bằng phương pháp lặp Newton – Rhason từ
giá trị nghiệm đầu q(0).

b) Bài toán thuận về vận tốc
Từ phương trình động học vị trí (2.9) :

p=f(q)

Đạo hàm hệ này theo thời gian, ta được
8

p& = ∑
i =1

∂fk
.q& i
∂q i

Với k=1..6

(2.10)

Viết lại hệ dưới dạng
⎡ ∂f1
⎢ ∂q
1
⎡ x& ⎤ ⎢
f
∂
⎢
2
⎢ y& ⎥
⎢ ⎥ = ⎢ ∂q1
⎢.. ⎥ ⎢
⎢ ⎥ ⎢ ..
⎣ γ& ⎦ ⎢ ∂f
⎢ 6
⎢⎣ ∂q1

Ma trận

⎡ ∂f1
⎢ ∂q
⎢ 1
⎢ ∂f 2
J = ⎢⎢ ∂q1
⎢ ..
⎢
⎢ ∂f 6
⎢⎣ ∂q1

J là hàm của các biến qi

∂f1
∂q 2
∂f 2
∂q 2
..
∂f 6
∂q 2

∂f1
∂q 2
∂f 2
∂q 2
..
∂f 6
∂q 2

∂f1 ⎤
∂q8 ⎥
⎥ ⎡q& 1 ⎤
∂f 2 ⎥ ⎢ ⎥
..
q&
∂q8 ⎥ ⎢ 2 ⎥
⎥ ⎢.. ⎥
.. .. ⎥ ⎢ ⎥
⎥ q&
∂f 6 ⎥ ⎣ 8 ⎦
..
∂q8 ⎥⎦

..

∂f1 ⎤
∂q 6 ⎥
⎥
∂f 2 ⎥
..
∂q 6 ⎥
⎥
.. .. ⎥
⎥
∂f 6 ⎥
..
∂q 6 ⎥⎦

(2.11)

..

gọi là Ma trận Jacobi.

J=J(q)

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 23


Luận văn thạc sĩ

Dương Quốc Khánh

Từ đây, ta xác định được các qui luật vận tốc của vị trí điểm tác động cuối và các
góc định hướng mũi thao tác

p& = J(q)q&

(2.12)

Mục đích của bài toán ngược về vận tốc, từ trạng thái về vị trí và vận tốc của
khâu thao tác p và p& ta phải xác định được vận tốc góc các góc khớp. Bài toán giải
quyết dựa trên phương trình (2.12), nhân 2 vế phương trình với J-1

J -1 (q).p& = q&

(2.13)

Với giá trị p cho trước, theo động học ngược về vị trí ta tìm được các giá trị của
biến q
Phương trình 2.13 xác định được đầy đủ vận tốc góc khớp.

c) Bài toán ngược về gia tốc
Đạo hàm theo thời gian phương trình vận tốc
&
&& = J(q).q
&& + J(q).q
&&
p

(2.14)

&& ), ta xác định
Khi biết các qui luật vi trí, vận tốc, gia tốc khâu thao tác (p, p& , p
được qui luật gia tốc của các góc khớp theo công thức
&& = (p
&& − J.q& ) J& −1
q

(2.15)

2.3. Động lực học ngược robot.
Xác định momen và lực động trong quá trình chuyển động thao tác của robot
quyết định tới chọn công suất động cơ, kiểm tra độ bền, độ cứng vững và độ tin cây
của robot .
Có nhiều phương pháp để xác định : Sử dụng phương trình Lagarange loại II,
Newton-Euler, Các phơng pháp tính toán cổ điển. Trong luận văn này sử dụng phương
trình Lagange dạng ma trận và phần mềm Maple ta có thể xác định chính xác các
moomen dẫn động cho robot với các thông số chọn trước :
- Khối lượng của mỗi khâu

Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  

 24