Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot hàn ống dẫn dầu khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN NGỌC ANH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG
CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHẾ TẠO MÁY

NGƢỜI HƢỚNG DẪN
PGS. TS. PHAN BÙI KHÔI

HÀ NỘI - 2014


LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên:

Nguyễn Ngọc Anh

Nơi công tác:

Xí nghiệp khai thác dầu khí

Tên đề tài:
“Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot hàn ống dẫn dầu khí”
Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy.

Mã số: CB110015
Tôi xin cam đoan, đây là luận văn của riêng tôi. Đƣợc thực hiện dƣới sự
hƣớng dẫn tận tình của PGS.TS Phan Bùi Khôi. Các số kết quả trình bày trong luận
văn là do tôi phát triển, và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kì một tài liệu nào.
Hà Nội, tháng 3 năm 2014
Ngƣời viết

Nguyễn Ngọc Anh


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ISO

International Organization for Standardization

CAD

Computer Aided Design

CAM

Computer Aided Manufacturing

NC

Numerical Control

ζ1; ζ3

Chuyển động quay

d2; d4

Chuyển động tịnh tiến

f

Số bậc tự do của robot

n

Số khâu của robot bao gồm cả giá cố định



Số bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm
việc của robot

fi

Số bậc tự do của khớp thứ i

g

Tổng số khớp của cơ cấu

fc

Số liên kết thừa

fr

Số ậc tự do thừa

Vh

Tốc độ hàn

Kp

Hệ số đắp

Ih

Cƣờng độ dòng hàn



Hệ số tổn thất que hàn

Fht

Lƣợng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đƣờng hàn

Ih

Cƣờng độ dòng điện hàn



Tỉ khối kim loại hàn

WMR

Welding Mobile Robot



Hệ số tỷ lệ

i 1

Ai

Ma trận mô tả vị trí và hƣớng của khâu i đối với khâu i-1

Ai1

Ma trận nghịch đảo của ma trận

Ci

Ma trận cosin chỉ hƣớng

i 1

i 1

i 1

Ai


i 1

CiT

Ma trận chuyển vị

Rot(x,φ) Ma trận cosin chỉ hƣớng có đƣợc khi quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ x
góc φ
Rot(y,ψ) Ma trận cosin chỉ hƣớng có đƣợc khi quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ y
góc ψ
Rot(z,ζ)

Ma trận cosin chỉ hƣớng có đƣợc khi quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ z
góc ζ

Trans(a,

Tịnh tiến dọc trục tọa độ x một đoạn là a, theo trục tọa độ y một đoạn là

b,c)

b, theo trục tọa độ z một đoạn là c.

0

An

Ma trận xác định vị trí của khâu thao tác

n

Ak

Ma trận xác định vị trí của hệ tọa độ gắn với khâu thao tác tại điểm tác
động cuối trong hệ tọa độ khâu cuối n

D-H

Denavit-Hartenberg


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 3
DANH MỤC CÁC BÀNG, HÌNH VẼ ..................................................................... 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT .............................................................. 4
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT ..................................................................... 4
1.1.1. Bậc tự do của robot. ................................................................................. 5
1.1.2 Trƣờng công tác – vùng làm việc của robot. ............................................. 7
1.2. CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG .................................................................... 13
1.2.1. Hàn hồ quang.......................................................................................... 14
1.2.2. Tổ chức của kim loại hàn. ...................................................................... 15
1.2.3.Các phƣơng pháp hàn, cắt hồ quang cơ ản:.......................................... 16
1.2.4. Mạch hàn cơ ản. ................................................................................... 17
1.2.5. Các tham số của quá trình hàn hồ quang khí trơ ................................... 18
1.2.6. Cƣờng độ dòng điện. .............................................................................. 18

1.2.7. Điện áp hồ quang. ................................................................................... 19
1.2.8. Tốc độ di chuyển (vận tốc hàn) .............................................................. 19
1.2.9. Độ dài hồ quang ..................................................................................... 19
1.3.CẤU TRÚC CHUNG CỦA ROBOT HÀN ........................................................ 19
1.3.1. Bộ điều khiển.......................................................................................... 20
1.3.2. Nguồn dẫn động ..................................................................................... 20
1.3.3. Súng hàn ................................................................................................. 21
1.3.4. Nguồn điện ............................................................................................ 22
1.3.5. Bộ làm sạch súng hàn ............................................................................. 22
1.3.6. Bộ cấp dây .............................................................................................. 22
1.3.7. Khung hàn, tay hàn ................................................................................. 23
1.3.8. Bộ định tâm, cảm biến ............................................................................ 23


1.4. MỘT SỐ LOẠI ROBOT HÀN .......................................................................... 23
1.4.1. Giới thiệu một số robot hàn. ................................................................... 23
1.4.1. Kết cấu của robot hàn ống dầu khí ......................................................... 25
1.4.2. Bậc tự do chuyển động của robot hàn ống dầu khí ................................ 28
1.4.3. Thông số đƣờng hàn và dặc tính kỹ thuật của Robot hàn ...................... 29
1.5. ỨNG DỤNG ROBOT HÀN TRONG NGÀNH DẦU KHÍ .............................. 30
1.5.1. Công tác lắp ráp đƣờng ống dẫn dầu khí ở Việt Nam ............................ 30
1.5.2. Công nghệ khai thác dầu khí ở Việt Nam .............................................. 31
CHƢƠNG 2: TÍNH ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ .......... 32
2.1. CẤU TRÚC, BẬC TỰ DO CỦA ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ ......... 32
2.1.1. Cấu trúc động học................................................................................... 32
2.1.2. Bậc tự do chuyển động của robot hàn ống dầu khí ................................ 33
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ..................................... 34
2.2.1. Các tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi thuần nhất ............................... 34
2.2.3. Cách xây dựng hệ trục tọa độ theo Denavit-Hartenberg ........................ 37
2.2.4. Các tham số động học Denavit-Hartenberg ........................................... 39

2.2.5. Các ma trận Denavit-Hartenberg ............................................................ 39
2.3. THIẾT LẬP HỆ PT ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT HÀN ỐNG DẦU KHÍ ........ 40
2.3.1 Các hệ tọa độ ........................................................................................... 40
2.3.2. Xác định ma trận truyền ......................................................................... 42
2.3.3. Thiết lập phƣơng trình động học robot................................................... 44
2.4.1 Bài toán thuận về vị trí ............................................................................ 45
2.4.2 Bài toán thuận về vận tốc ........................................................................ 46
2.4.3 Bài toán thuận về gia tốc. ........................................................................ 48
2.4.4 Thuật toán giải bài toán thuận ................................................................. 48
2.5. Giải ài toán động học thuận vào mô hình robot hàn ống dẫn dầu khí ............. 49
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT HÀN
ỐNG DẪN DẦU KHÍ.............................................................................................. 59
3.1 QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO KHÂU CUỐI CỦA ROBOT ................... 59


3.1.1- Hệ toạ độ ................................................................................................ 59
3.1.2 Quĩ đạo chuyển động của robot............................................................... 59
3.2 KHẢO SÁT BÀI TOÁN NGƢỢC ĐỘNG HỌC ROBOT ................................ 60
3.2.1 Bài toán ngƣợc về vị trí ........................................................................... 60
3.2.2 Bài toán ngƣợc về vận tốc ....................................................................... 63
3.2.3 Bài toán ngƣợc về gia tốc ........................................................................ 65
3.2.4. Phƣơng pháp hiệu chỉnh gia lƣợng vector sai số.................................... 65
3.3. BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC NGƢỢC: ................................................ 66
3.4 TÍNH TOÁN BIÊN DẠNG ĐƢỜNG HÀN .............................................. 68
3.4.1 Mô hình toán học đối tƣợng gia công. .................................................... 68
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 82


DANH MỤC CÁC BÀNG, HÌNH VẼ

Bảng 2.1 Các tham số D-H ......................................................................................42
Hình 1.1 Trƣờng công tác của Robot ..........................................................................7
Hình 1.2 Tay máy tọa độ góc ......................................................................................8
Hình 1.3 Tay máy tọa độ Đề các ................................................................................8
Hình 1.4 Tay máy tọa độ trụ .......................................................................................9
Hình 1.5 Tay máy tọa độ cầu ......................................................................................9
Hình 1.6 Tay máy khớp bản lề ..................................................................................10
Hình 1.7 Khớp quay ..................................................................................................10
Hình 1.8 Khớp lăng trụ .............................................................................................11
Hình 1.9 Khớp trụ .....................................................................................................11
Hình 1.10 Khớp ren (khớp vít me) ...........................................................................12
Hình 1.11 Khớp cầu .................................................................................................12
Hình 1.12 Khớp phẳng .............................................................................................13
Hình 1.13 Khớp ánh răng phẳng ............................................................................13
Hình 1.14 Hàn hồ quang điện ..................................................................................14
Hình 1.15 Robot hàn .................................................................................................24
Hình 1.16 Robot hàn IRB 1410 ArcPack ..................................................................24
Hình 1.17 Robot hàn tại xƣởng thực hành của Đại học bách khoa Hà Nội ..............25
Hình 1.18 Cấu trúc cơ khí robot hàn ống dẫn dầu khí .............................................25
Hình 1.19: Mô hình khâu 0 (ray dẫn hƣớng) ...........................................................26
Hình 1.20 Mô hình khâu 1 ......................................................................................26
Hình 1.21: Mô hình khâu 2 .....................................................................................27
Hình 1.22: Mô hình khâu 3 ......................................................................................27
Hình 1.23: Khâu 4 ....................................................................................................27
Hình 1.24: Khâu 5 ....................................................................................................28
Hình 2.1: Mô hình robot hàn ống dẫn dầu khí ..........................................................32
Hình 2.2: Sơ đồ động học của robot hàn ống dẫn dầu khí ........................................33
Hình 2.3. Sơ đồ chuyển trục tọa độ ...........................................................................35

Hình 2.4: Các góc quay Roll-Pitch và Yaw của Robot.............................................36
Hình 2.5: Các hệ tọa độ gắn cho robot ......................................................................40
Hình 2.8: Bài toán động học thuận ...........................................................................49
Hình 2.9: Quỹ đạo chuyển động của đầu mũi hàn. ...................................................51
Hình 2.10: Tọa độ khâu thao tác theo trục X ............................................................51
Hình 2.11: Tọa độ khâu thao tác theo trục Y ............................................................52
Hình 2.12: Tọa độ khâu thao tác theo trục Z ............................................................52
Hình 2.13: Đồ thị vận tốc theo phƣơng X .................................................................54
Hình 2.14: Đồ thị vận tốc theo phƣơng Y .................................................................54
Hình 2.15: Đồ thị vận tốc theo phƣơng Z .................................................................55
Hình 2.16: Đồ thị vận tốc góc theo phƣơng X ..........................................................55
Hình 2.17: Đồ thị vận tốc góc theo phƣơng Y ..........................................................56
Hình 2.18: Đồ thị vận tốc góc theo phƣơng Z ..........................................................56
Hình 2.19: Đồ thị gia tốc đầu hàn theo phƣơng x .....................................................57
Hình 2.20: Đồ thị gia tốc đầu hàn theo phƣơng Y ....................................................57
Hình 2.21: Đồ thị gia tốc đầu hàn theo phƣơng Z ....................................................58
Hình 3.1: Mô tả đƣờng hàn khi robot thực hiện........................................................68
Hình 3.2. Quỹ đạo khâu thao tác ...............................................................................69
Hình 3.4 Quỹ đạo chuyển động khâu 1 .....................................................................71
Hình 3.5 Quỹ đạo chuyển động khâu 2 .....................................................................72
Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động khâu 3 .....................................................................72
Hình 3.7 Quỹ đạo chuyển động khâu 4 .....................................................................73
Hình 3.9 Quỹ đạo chuyển động khâu 5 .....................................................................73
Hình 3.10 Đồ thị vận tốc khâu 1 ...............................................................................74
Hình 3.11 Đồ thị vận tốc khâu khâu 2 ......................................................................74
Hình 3.12 Đồ thị vận tốc khâu 3 ...............................................................................75
Hình 3.13 Đồ thị vận tốc khâu khâu 5 ......................................................................75
Hình 3.14 Đồ thị gia tốc khâu 1 ................................................................................76
Hình 3.15 Đồ thị gia tốc khâu 2 ................................................................................76

Hình 3.16 Đồ thị gia tốc khâu 3 ................................................................................77
Hình 3.17 Đồ thị gia tốc khâu 5 ................................................................................77
Hình 3.18 Đồ thị moment và lực đặt lên khâu 1 .......................................................78
Hình 3.19 Đồ thị moment và lực đặt lên khâu 2 .......................................................78
Hình 3.20 Đồ thị moment và lực đặt lên khâu 3 .......................................................79
Hình 3.21 Đồ thị moment và lực đặt lên khâu 4 .......................................................79
Hình 3.22 Đồ thị moment và lực đặt lên khâu 5 .......................................................80


MỞ ĐẦU
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển mạnh mẽ trên toàn
cầu, ngành điều khiển tự động hóa cũng đã có những ƣớc tiến quan trọng, đã góp
phần vào việc tăng năng suất lao động, giảm giá thành sản xuất, tăng chất lƣợng sản
phẩm và hạn chế tối đa phế phẩm, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trƣờng làm
việc của con ngƣời, đặc biệt là các môi trƣờng làm việc có độ an toàn thấp hoặc có
tính độc hại cao. Việc nghiên cứu và ứng dụng ro ot vào sản xuất công nghiệp đã
và đang đƣợc triển khai và phát triển mạnh mẽ ở nƣớc ta nh m phục vụ sự nghiệp
công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc. Về mặt kỹ thuật, robot là một sản phẩm
tiêu biểu của khoa học công nghệ cơ điện tử, là sự tích hợp của đa ngành, đa lĩnh
vực khoa học công nghệ nhƣ: cơ khí tự động hóa, điện - điện tử, công nghệ thông
tin,… Về kết cấu cơ khí, ro ot là thiết bị linh hoạt có kết cấu gọn nhẹ, dễ chế tạo,
lắp ráp so với các thiết bị khác, ngoài ra khả năng hoạt động chính xác, linh hoạt
cao, trong việc lựa chọn và thay đổi cấu trúc theo yêu cầu thao tác công nghệ và
ứng dụng.
Hệ thống dẫn động, ro ot đƣợc trang bị các hệ thống dẫn động có khả năng
linh hoạt trong việc điều khiển chuyển động của ro ot. Các động cơ dẫn động có thể
đƣợc chế tạo, tích hợp cùng bộ điều khiển của nó. Nhờ vậy có khả năng kết nối với
hệ thống điều khiển dễ dàng và thuận lợi trong việc lập trình điều khiển.
Nhờ có nhiều ƣu điểm và tính năng vƣợt trội, ro ot đƣợc nghiên cứu và ứng

dụng ngày càng rộng rãi và trở nên phổ biến ở các nƣớc phát triển. Nghiên cứu để
có thể nắm bắt các thành tựu của thế giới trong việc triển khai ứng dụng robot là
một yêu cầu tất yếu đối với các nhà khoa học, các chuyên gia kỹ thuật nƣớc ta. Đặc
biệt do việc nhập các sản phẩm giá thành rất cao cũng nhƣ khả năng làm chủ các
ứng dụng khai thác từ các sản phẩm nhập khẩu bị hạn chế, việc nghiên cứu để có
thể tự chế tạo robot là một yêu cầu có tính thời sự nóng đối với các nhà chuyên
môn, các chuyên gia kỹ thuật nƣớc ta.
Hiện nay ngành dầu khí Việt Nam hiện nay đang vận chuyển các sản phẩm
dầu khí đƣợc khai thác từ các mỏ dầu ngoài thềm lục địa từ các giàn khoan trên biển
1


nhƣ Bạch Hổ, Đại Hùng, Cá Ngừ Vàng, Tê giác trắng…v.v và vận chuyển khí từ
ngoài mỏ về các nhà máy sản xuất nhƣ nhà máy khí Dinh Cố, Dự án khí Nam Côn
Sơn…

ng đƣờng ống dẫn dầu khí. Các kỹ thuật hiện sử dụng hầu hết do ngƣời

Nga chuyển giao và giúp đỡ, một phần cũng do nƣớc ngoài chuyển giao.
Ngày nay năng lƣợng là vấn đề sống còn của nhân loại, trong khi chƣa tìm ra
nguồn năng lƣợng thay thế năng lƣợng hóa thạch một cách thích đáng, dầu mỏ và
các sản phẩm của nó vẫn là năng lƣợng quan trọng nhất với bất kỳ quốc gia nào,
việc ngƣời Việt Nam sớm tự chủ trong công nghệ và kỹ thuật khai thác dầu là vấn
đề chiến lƣợc quan trọng cho hiện tại và tƣơng lai.
Trong vận tải đƣờng ống, các ống dẫn dầu khí cỡ lớn thƣờng sử dụng robot
tự hành dẫn hƣớng b ng ray, đây là ro ot chuyên dụng cho công tác hàn ống dẫn
dầu khí với khả năng tự hành giới hạn. Hiện nay ở Việt Nam robot loại này có ứng
dụng tại Petrolimex, tuy nhiên chƣa có nhà cung cấp chính thức tại Việt Nam.
Nh m nghiên cứu ứng dụng ro ot hàn đƣờng ống vào thực tế nói trên, tác
giả luận văn lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot

hàn ống dẫn dầu khí”.
Luận văn tập trung phân tích các yêu cầu về kỹ thuật đặt ra với robot hàn
ống dẫn dầu khí cỡ lớn, tổng hợp cấu trúc của ro ot, phân tích động học thuận và
động học ngƣợc của robot nói trên, xây dựng quỹ đạo chuyển động, mô phỏng thử
nghiệm robot trên phần mềm.
Luận văn đƣợc trình ày trong 3 chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về Robot.
Chƣơng 2: Tính toán động học quỹ đạo của robot hàn ống dãn dầu khí
Chƣơng 3: Thiết kế quỹ đạo chuyển động robot hàn ống dẫn dầu khí
Sau một thời gian tích cực học tập và nghiên cứu nghiêm túc, đƣợc sự
hƣớng 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 ản luận văn đƣợc
giao. Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu, không tránh khỏi những thiếu sót, tôi
rất mong nhận đƣợc ý kiến góp ý của quý Thầy, quý Cô và bạn è, đồng nghiệp.
2


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 – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
hƣớng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

TÁC GIẢ

3


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT
Robot là sản phẩm tích hợp khoa học và công nghệ với độ phức tạp cao.
Ro ot đầu tiên đƣợc ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con

ngƣời làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trƣờng độc hại. Do nhu
cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên robot
công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh họat và thông minh hơn. Ngày
nay, ngoài ứng dụng sơ khai an đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng
khác nhƣ trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh
quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng. Có thể kể đến một số loại robot
đƣợc quan tâm nhiều trong thời gian qua là: tay máy robot (Robot Manipulators) là
cơ cấu gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay (amr) để hình thành các
chuyển động cơ ản, cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo và linh hoạt và bàn tay
(hand) hoặc phần công tác – điểm cuối (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các
thao tác trên đối tƣợng, ro ot di động (Mobile Robots), robot mô phỏng sinh học
(Bio Inspired Robots) và robot cá nhân (Personal Robots)...vv.
Tay máy robot bao gồm các loại robot công nghiệp (Industrial Robot), robot
y tế (Medical Robot) và robot trợ giúp ngƣời tàn tật (Rehabilitation robot). Ứng
dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp. Theo thống kê có đến gần
25% robot công nghiệp là robot hàn (theo số liệu thống kê năm 1985), có mặt nhiều
nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử. Trong nghiên cứu này sẽ tập
trung vào thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot hàn ống dẫn dầu khí.
Những thao tác lặp đi lặp lại trong một quá trình hàn trên những chi tiết
giống nhau sẽ thích hợp để tự động hóa. Số lƣợng chi tiết cần hàn trong quá trình
chế tạo máy sẽ quyết định xem có nên tự động hóa quá trình hàn hay không. Nếu
chúng ta phải điều chỉnh để các chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các mối hàn quá
rộng hoặc các vị trí cần hàn khác nhau trên mỗi chi tiết thì vấn đề tự động hóa sẽ trở
nên rất khó khăn, không khả thi.
4


Lợi ích lớn nhất của tự động hóa cho việc hàn là năng suất cao và độ chính
xác và cao. Ngoài ra hàn b ng robot còn nâng cao độ tin cậy của mối hàn, nhanh,
chính xác và giảm giá thành cho sản phẩm cần chế tạo. Một khi đƣợc lập trình hợp

lý, các robot sẽ tạo ra những mối hàn y nhƣ nhau trên các vật hàn cùng kích thƣớc
và quy cách. Chuyển động của dây que hàn đƣợc tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc
lỗi trong thao tác, giảm phế phẩm và khối lƣợng công việc phải làm lại do mối hàn
bị lỗi. Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục
suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với hàn thủ công b ng tay. Khi đƣợc tự động
hóa quá trình hàn sẽ giải phóng ngƣời công nhân khỏi những tác hại khi hàn nhƣ:
hít phải hơi độc, hại mắt, da do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, bỏng do vẩy hàn nóng
chảy…v.v
1.1.1. Bậc tự do của robot.
Bậc tự do của tay máy chính là số khả năng chuyển động độc lập của tay
máy đó trong không gian hoạt động của nó. Qui ƣớc 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, tƣơng ứng theo đó là một tọa độ suy rộng dùng để xác
định vị trí của trục trong không gian hoạt động.
Trên thực tế, độ linh hoạt của tay máy sử dụng trong công nghiệp đƣợc qui
định bởi số bậc tự do. Số bậc tự do chuyển động cao của tay máy càng cao thì khả
năng linh hoạt của nó càng tốt. Tuy nhiên số bậc chuyển động này nếu lớn hơn 6 thì
sẽ không tốt bởi vì, với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý sẽ đủ để tạo ra khả
năng chuyển động linh hoạt theo mọi hƣớng. Nhƣng số bậc tự do lớn hơn 6 sẽ
không kinh tế và khó điều khiển. Sáu bậc chuyển động đƣợc bố trí gồm:
a. Ba bậc chuyển động cơ bản (hay chuyển động định vị)
Nguyên lý cấu tạo của tay máy là một tập hợp các khâu đƣợc liên kết với
nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở. Khớp động hay
đƣợc sử dụng trên các tay máy thƣờng là các khớp loại 5 (Khớp tịnh tiến hoặc khớp
quay loại 5) để dễ chế tạo, dễ điều khiển, và dễ dẫn động b ng các nguồn năng
lƣợng độc lập nhƣ điện, khí hay thủy lực. Tay máy có số bậc chuyển động độc lập
thƣờng là từ ba trở lên.
5

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 thƣờng là một. Nhƣ 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 đƣợc. Trƣờng hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển
động độc lập thì tay máy có ao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động
và cũng có từng ấy khớp hay trục. Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động chính
trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hƣởng 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 đƣợc gọi là các chuyển động định vị.
Phần ngoài cùng của tay máy thƣờng có dạng một tay gắp, một bộ phận làm
việc với đối tƣợng thao tác và đối với Ro ot hàn thì đƣợc thay thế bởi các dụng cụ
công nghệ nhƣ ống đƣa dây hàn, mỏ hàn…
Trong việc điều khiển ro ot để thuận tiện, mỗi bậc chuyển động của tay máy
thƣờng là có nguồn dẫn động riêng, có thể là nguồn khí nén, thủy lực hay điện….
b. Ba bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng)
Yêu cầu của một tay máy là phải có bộ phận công tác trang bị ở khâu tác
động cuối (ống dẫn dây hàn..) có đủ độ chuyển động linh hoạt để đảm bảo khả năng
hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra. Để có định hƣớng tối ƣu đến tƣ thế làm việc
với đối tƣợng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tƣơng tự nhƣ các
chuyển động xoay của cổ tay ngƣời, ba khớp loại 5 đƣợc 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 đƣợc gọi là các chuyển động định
hƣớng nh m tăng khả năng linh hoạt giúp tay máy có thể dễ dàng định hƣớng của
khâu tác động cuối đạt đến tƣ thế cần thiết để tác động lên đối tƣợng thao tác, cũng
nhƣ tăng khả năng tránh va chạm chƣớng ngại vật trong không gian thao tác nh m
cải thiện tính chất động lực học của tay máy. Tuy vậy điều cần lƣu 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

6


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 dƣỡng robot.
Số bậc tự do của Ro ot đƣợc tính theo công thức sau:
k

f   (n  k )   fi  f c  f p

(1.1)

i 1

Trong đó:
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 tƣơng ứng lần lƣợt 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

1.1.2 Trƣờng công tác – vùng làm việc của robot.
Trƣờng công tác là khoảng không gian mà robot có thể thực hiện thao tác,
trƣờng công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của ro ot cũng nhƣ các ràng

buộc cơ học của các khớp.

Hình 1.1 Trƣờng công tác của Robot
Trƣờng công tác của robot (không gian hoạt động của Robot) là toàn bộ thể
tích đƣợc quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động
7


có thể. Vùng làm việc khéo léo là khoảng không gian mà điểm tác động cuối có thể
với tới và khâu thao tác có thể đạt đƣợc theo các hƣớng khác nhau phù hợp yêu cầu
thao tác khi môi trƣờng có thể bị có vật cản
Không gian hoạt động của Robot có thể đƣợc phân ra nhƣ sau:
Tay máy tọa độ góc (hình 1.2)
Robot kiểu này đƣợc dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động liên tiếp an đầu
là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với 2 trục kia, các chuyển
động định hƣớng khác cũng là các chuyển động quay. Trƣờng công tác của tay máy
này thực chất là một phần của khối cầu.

Hình 1.2 Tay máy tọa độ góc
Tay máy tọa độ đề các (hình 1.3)
Còn có cách gọi khác là kiểu chữ nhật, dùng 3 chuyển động cơ ản tịnh tiến
theo phƣơng của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T), cho phép phần công tác
thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng và song song với ba trục tọa độ.
Trƣờng công tác có dạng hình hộp chữ nhật, loại tay máy này có độ cứng vững cao
do sự đơn giản về kết cấu, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo đồng đều trong toàn bộ
vùng làm việc. Nhƣng nhƣợc điểm lứn nhất của loại tay máy này là độ linh hoạt
không cao. Ví dụ nhƣ ro ot có 3 ậc tự do nhƣ hình vẽ, đƣợc dùng để vận chuyển
phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…

Hình 1.3 Tay máy tọa độ Đề các

8


Tay máy tọa độ trụ
Khác với tay máy loại decac, loại tay máy tọa độ này thì thông thƣờng khớp thứ
nhất chuyển động quay thay cho khớp trƣợt, Khớp tịnh tiến n m ngang cho phép tay
máy thò vào đƣợc khoang rỗng n m ngang. Về tính ổn định, độ cứng vững cơ học
của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhƣng nhƣợc điểm là khi tay máy phải với
xa tâm thì độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng n m ngang giảm. Trƣờng công
tác của robot có dạng hình trụ rỗng.. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T nhƣ
hình vẽ 1.4. có nhiều robot kiểu toạ độ trụ nhƣ: Ro ot Versatran của hãng AMF (Mỹ).

Hình 1.4 Tay máy tọa độ trụ
Tay máy tọa độ cầu
Nó cấu tạo hơi khác kiểu trụ bởi khớp thứ 2 tịnh tiến đƣợc thay b ng khớp
quay. Trƣờng công tác của Robot có dạng hình cầu rỗng, Thƣờng độ cứng vững
của loại Robot này thấp hơn so với loại tọa độ trụ và tọa độ đề các, độ chính xác
cũng phụ thuộc nhiều vào tầm với, nhƣng loại robot này lại có thể dễ dàng thao tác
nhặt đƣợc các vật ở dƣới nền.

Hình 1.5 Tay máy tọa độ cầu

9


Tay máy khớp bản lề và SCARA
Là loại tay máy có 2 khớp quay và một khớp trƣợt, cả 3 khớp này đều có trục
song song với nhau. Robot này nh m đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất.
Tên gọi SCARA là viết tắt của “Selective Compliance Assembly Robot Arm” – tay

máy mềm dẻo tùy ý. Loại ro ot này thƣờng dùng trong công việc lắp ráp. Ba khớp
đầu tiên của Robot có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều có phƣơng thẳng đứng nhƣ
hình 1.6

Hình 1.6 Tay máy khớp bản lề
1.1.3 Các khớp đặc trƣng sử dụng trong Robot.
Robot là một hệ tự động linh hoạt bao gồm các hệ thống cơ ản nhƣ đã trình
bày ở trên, riêng xét về mặt cơ học thì robot là một hệ nhiều vật hay còn đƣợc gọi là
các khâu đƣợc ghép lại với nhau b ng các khớp. Có 6 loại khớp thấp và hai loại
khớp cao cơ ản thƣờng dùng trong các cơ cấu máy và robot, cụ thể nhƣ:
a. Khớp quay (Revolute Joint-R):
Là loại khớp cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay tƣơng đối với
nhau theo một trục đƣợc xác định b ng dạng hình học của khớp. Khớp quay hạn chế
5 bậc tự do tƣơng đối giữa hai thành phần khớp. Khớp quay còn gọi là khớp bản lề.

Hình 1.7 Khớp quay
10


b. Khớp lăng trụ (Prismatic-P):
Là khớp cho phép hai thành phần của khớp trƣợt với nhau theo một trục
đƣợc xác định b ng dạng hình học của khớp. Khớp lăng trụ cũng là loại khớp hạn
chế 5 khả năng chuyển động tƣơng đối giữa hai thành phần khớp. Khớp lăng trụ còn
gọi là khớp tịnh tiến.

Hình 1.8 Khớp lăng trụ
c. Khớp trụ (Cyrlindrical Joint – C):
Là loại khớp cho phép hai thành phần có hai chuyển động độc lập, gồm một
chuyển động tịnh tiến dọc theo trục quay, và một chuyển động quay quanh một trục
của nó. Khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.

Hình 1.9 Khớp trụ
d. Khớp ren (Helical Joint – H):
Là loại khớp 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 ƣớc vít (vít me). Do đó khớp ren hạn chế 5 khả năng
chuyển động giữa hai thành phần của khớp.
11


Hình 1.10 Khớp ren (khớp vít me)
e. 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 hƣớng. Do đó khớp cầu hạn chế 3 khả năng
chuyển động giữa hai thành phần của khớp.

Hình 1.11 Khớp cầu
f. 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.

12


Hình 1.12 Khớp phẳng
g. Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair – G)
Hai ánh răng ăn khớp, cho phép một ánh răng lăn và trƣợt với ánh răng kia tại
điểm tiếp xúc giữa hai ánh răng ăn khớp. Do đó khớp ánh răng phẳng hạn chế 4
khả năng chuyển động.

Hình 1.13 Khớp bánh răng phẳng
h. Khớp cam phẳng (Cam Pair – Cp)
Là khớp đƣợc tạo bởi sự chuyển động tiếp xúc giữa hai cam. Khớp này hạn chế
bốn khả năng chuyển động.
1.2. CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG
Hàn là quá trình công nghệ đƣợc ứng dụng rộng rãi để chế tạo và phục hồi
các kết cấu và chi tiết. Tính ƣu việt bao gồm:
Hàn là phƣơng pháp rẻ tiền và hiệu quả nhất để nối cứng hai chi tiết kim loại
với nhau. Một mối hàn đƣợc tạo ra b ng 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 phƣơng pháp hàn
chính là hàn hồ quang và hàn điểm (hàn đối kháng).
13


Tính ƣu việt của công nghệ hàn: Tiêu tốn ít kim loại, giảm chi phí lao động,
thiết bị đơn giản, rút ngắn thời gian sản xuất.
Nhƣợc điểm của công nghệ hàn: Trong quá trình hàn xảy ra sự ay hơi và
oxi hoá một số nguyên tố, sự hấp thụ và hoà tan chất khí của bể kim loại cũng nhƣ
những thay đổi của vùng ảnh hƣởng nhiệt. Kết quả thành phần và cấu trúc của mối
hàn khác với kim loại cơ ản. Các biến dạng của kết cấu gây bởi ứng suất dƣ có thể
làm sai lệch kích thƣớc và hình dáng của nó và ảnh hƣởng tới độ bền của mối ghép.
Hàn đƣợc coi là khâu phức tạp nhất trong các quá trình chế tạo. Để tự động
hóa quá trình hàn, cần phải hiểu những nguyên lý khoa học đ ng sau nó.
1.2.1. Hàn hồ quang
Là sự phóng điện trong các khí áp suất cao. Nó đặc trƣng ởi mật độ dòng
lớn trong không khí dẫn điện và điện áp thấp giữa các điện điện cực. Hàn hồ quang
là phƣơng pháp nối hai miếng kim loại b ng 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 1.14 Hàn hồ quang điện
Một trong những vấn đề chính trong quá trình hàn là khi kim loại nóng lên,
chúng sẽ tƣơng tác hóa học với không khí. Có nhiều phƣơng pháp cách ly vật hàn
khỏi không khí xung quanh. Nếu dùng khí trơ thì quá trình hàn gọi là hàn hồ quang

14


khí trơ. Hàn hồ quang lõi thuốc giống nhƣ hàn hồ quang khí trơ, chỉ khác ở điện cực.
Kỹ thuật hàn này dùng để nối các miếng kim loại dày, nhƣ 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 đƣợc dùng phổ biến.
1.2.2. Tổ chức của kim loại hàn.
Sau khi hàn kim loại ở vũng hàn (gồm kim loại que hàn và một thành phần
kim loại vật hàn) sẽ nguội và kết tinh tạo thành mối hàn, vùng kim loại vật hàn
quanh mối hàn do ảnh hƣởng của tác dụng nhiệt nên có sự thay đổi tổ chức và tính
chất của nó gọi là vùng ảnh hƣởng nhiệt. Nghiên cứu mối hàn b ng thép ít cacbon
qua kính hiển vi ta sẽ thấy có nhiều thành phần riêng có tổ chức khác nhau sau đây:
a)

Vùng mối hàn:
Vùng này kim loại nóng chảy hoàn toàn, khi nguội lạnh có tổ chức tƣơng tự tổ

chức thỏi đúc, thành phần và tổ chức khác với kim loại que hàn và vật hàn. Vùng

sát với kim loại cơ ản do tản nhiệt nhanh, tốc độ nguội lớn nên hạt rất nhỏ. Vùng
tiếp theo kim loại sẽ kết tinh theo thƣớc thẳng góc với mặt tản nhiệt tạo nên
dạng nhánh cây kéo dài, vùng trung tâm do nguội chậm, nên hạt lớn và có lẫn chất
phi kim (xỉ,…)
b)

Vùng ảnh hƣởng nhiệt.
Tổ chức của kim loại trong vùng ảnh hƣởng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ

nung của từng vùng bao gồm:
1. Viền chảy 1: là vùng kim loại nóng chảy không hoàn toàn n m giữa kim
loại mối hàn (nóng chảy) và kim loại vật hàn (không chảy) vùng này kim loại vật
hàn có pha lỏng và đặc có pha lẫn kim loại que hàn. Hạt kim loại nhỏ và ảnh
hƣởng tốt đến cơ tính mối hàn..
2. Vùng quá nhiệt 2: Là vùng có nhiệt độ nung trên 1100°C và các hạt
ôstenit bắt đầu phát triển mạnh: Vùng này kim loại có tính dẻo kém là vùng yếu
nhất của vật hàn.
3. Vùng thƣờng hoá 3: Là vùng có nhiệt độ 900-1100°C tổ chức gồm các
hạt ferit nhỏ và một số hạt peclit, vì nó có cơ tính rất cao.
15