Tính toán động lực học robot hàn almega AII

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

TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN ALMEGA AII

Chuyên ngành: Công nghệ cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. PHAN BÙI KHÔI

Hà Nội – 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chƣa đƣợc công bố
trong bất cứ công trình nào khác. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực.
Tác giả luận văn

Phạm Văn Trưởng

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ĐƢỢC SỬ DỤNG.................................4

DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................6
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................8
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT HÀN ALMEGA AII ...............................10
1.1. Tổng quan về robot .........................................................................................10
1.2. Cấu trúc – hoạt động của robot hànAlmega AII .............................................15
1.2.1. Robot hàn hồ quang..................................................................................15
1.2.2. Robot hàn Almega AII .............................................................................17
1.3. Xây dựng mô hình ..........................................................................................19
CHƢƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ALMEGA AII ......................................23
2.1. Sơ đồ động học ...............................................................................................23
2.1.1. Thiết lập hệ trục tọa độ .............................................................................23
2.1.2. Lập bảng D - H .........................................................................................24
2.2. Lập phƣơng trình động học.............................................................................24
2.2.1. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác ................................................24
2.2.2. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học ..........25
2.2.3. Phƣơng trình động học .............................................................................26
2.3. Bài toán động học thuận .................................................................................26
2.4. Bài toán động học ngƣợc ................................................................................34
2.4.1. Nội dung bài toán ngƣợc ..........................................................................34
2.4.2. Giải bài toán ngƣợc ..................................................................................34
CHƢƠNG 3: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN ALMEGA AII .............................43
3.1. Cơ sở lý thuyết ...............................................................................................43
3.2. Thiết lập phƣơng trình vi phân chuyển động của Robot hàn Almega AII .....45
3.2.1. Tính toán các đại lƣợng động lực .............................................................45
3.2.2. Thiết lập phƣơng trình vi phân chuyển động ...........................................57

2

3.3. Giải bài toán động lực học ..............................................................................57
KẾT LUẬN ...............................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................62
PHỤ LỤC ..................................................................................................................64

3


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ĐƢỢC SỬ DỤNG
STT

Ký hiệu

1

Ci

cos(qi)

2

Cijk

cos(qi + qj+ qk)

3

Si

sin(qi)

4

Sijk

sin(qi + qj+ qk)

5

0

Ma trận Denavit – Hartenberg của khâu thứ i so với hệ tọa độ cố

6

i-1

7

0

8

Ri

9

0

Vị trí khâu thứ i trong hệ tọa độ cố định

10

rci

Vị trí trọng tâm khâu I trong hệ tọa độ cố định

11

ωi

Vận tốc góc khâu I trong hệ tọa độ cố định

12

ω i'

Vận tốc góc khâu I trong hệ tọa độ động

13

mi

Khối lƣợng khâu thứ i

14

M q

15

 'c

16

I

(i )
i

17

J Ti

Ma trận Jacobian tịnh tiến của khâu i

18

J Ri

Ma trận Jacobian quay của khâu i

19

C  q, q 

20



Thế năng

21

qi

Tọa độ suy rộng thứ i (biến khớp i)

22

q

Véc tơ tọa độ suy rộng

23

qi

Vận tốc suy rộng thứ i

24

q

Véc tơ vận tốc suy rộng

25

qi

Gia tốc suy rộng thứ i

26

q

Véc tơ gia tốc suy rộng

27

Mi

Véc tơ mô men điều khiển của khâu i

Ai

Diễn giải

Ai

định
Ma trận Denavit – Hartenberg của khâu thứ i so với khâu i-1

Ri

Ma trận côsin chỉ hƣớng của khâu so với hệ tọa độ cố định

ri

Ma trận côsin chỉ hƣớng của hệ trục tọa độ gắn vào khối tâm Ci

của khâu i so với hệ tọa độ cố định

Ma trận khối lƣợng suy rộng
Tenxơ quán tính khối của khâu i đối với khối tâm của nó trong
hệ tọa động
Tenxơ quán tính khối của khâu i trong hệ quy chiếu quán tính Ri

Ma trận hệ số C

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc điểm kỹ thuật của Robot hàn Almega AII ........................................18
Bảng 2.1: Bảng D-H của robot hàn Almega AII.......................................................24
Bảng 3.1. Thông số động lực học rôbôt Almega AII ................................................47

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Robot trên dây truyền của một trung tâm sản xuất linh hoạt ....................14
Hình 1.2. Robot phục vụ máy phay CNC .................................................................14
Hình 1.3. Hàn bằng robot ..........................................................................................15
Hình 1.4. Robot hàn Panasonic AW-005CL .............................................................16
Hình 1.5. Robot hàn ABB IRB 1410 ........................................................................16
Hình 1.6. Robot hàn Motoman SK45 .......................................................................17
Hình 1.7. Robot hàn Almega AII ..............................................................................17
Hình 1.8. Hàn trong dây chuyền tự động ..................................................................19
Hình 1.9. Hàn chi tiết máy ........................................................................................19

Hình 1.10. Đế ............................................................................................................20
Hình 1.11. Khâu 1 .....................................................................................................20
Hình 1.12. Khâu 2 .....................................................................................................20
Hình 1.13. Khâu 3 .....................................................................................................21
Hình 1.14. Khâu 4 .....................................................................................................21
Hình 1.15. Khâu 5 .....................................................................................................21
Hình 1.16. Khâu 6 .....................................................................................................22
Hình 1.17. Mô hình hóa robot hàn Almega AII ........................................................22
Hình 2.1. Hệ trục tọa độ trên robot hàn Almega AII ................................................23
Hình 2.2. Đồ thị quỹ đạo bàn kẹp .............................................................................32
Hình 2.3. Đồ thì góc α ...............................................................................................32
Hình 2.4. Đồ thị góc β ...............................................................................................33
Hình 2.5. Đồ thị góc η ...............................................................................................33
Hình 2.6. Sơ đồ giải thuật Newton- Raphson ...........................................................36
Hình 2.7. Đồ thị quỹ đạo khâu 1 ...............................................................................37
Hình 2.8. Đồ thị quỹ đạo khâu 2 ...............................................................................37
Hình 2.9. Đồ thị quỹ đạo khâu 3 ...............................................................................38
Hình 2.10. Đồ thị quỹ đạo khâu 4 .............................................................................38
Hình 2.11. Đồ thị quỹ đạo khâu 5 .............................................................................38
6


Hình 2.12. Đồ thị quỹ đạo khâu 6 .............................................................................39
Hình 2.13. Đồ thị vận tốc khâu 1 ..............................................................................39
Hình 2.14. Đồ thị vận tốc khâu 2 ..............................................................................39
Hình 2.15. Đồ thị vận tốc khâu 3 ..............................................................................40
Hình 2.16. Đồ thị vận tốc khâu 4 ..............................................................................40
Hình 2.17. Đồ thị vận tốc khâu 5 ..............................................................................40
Hình 2.18. Đồ thị vận tốc khâu 6 ..............................................................................40
Hình 2.19. Đồ thị gia tốc khâu 1 ...............................................................................41

Hình 2.20. Đồ thị gia tốc góc khâu 2 ........................................................................41
Hình 2.21. Đồ thị gia tốc góc khâu 3 ........................................................................41
Hình 2.22. Đồ thị gia tốc góc khâu 4 ........................................................................41
Hình 2.23. Đồ thì gia tốc góc khâu 5 ........................................................................42
Hình 2.24. Đồ thị gia tốc góc khâu 6 ........................................................................42
Hình 3.1. Sơ đồ động lực học robot hàn Almega AII ...............................................46
Hình 3.2. Đồ thị momen dẫn động khớp 1 ................................................................58
Hình 3.3. Đồ thị momen dẫn động khớp 2 ................................................................58
Hình 3.4. Đồ thị momen dẫn động khớp 3 ................................................................58
Hình 3.5. Đồ thị momen dẫn động khớp 4 ................................................................59
Hình 3.6. Đồ thị momen dẫn động khớp 5 ................................................................59
Hình 3.7. Đồ thị momen dẫn động khớp 6 ................................................................59
Hình 3.8. Đồ thị momen tác dụng lên 6 khớp ...........................................................60

7


LỜI NÓI ĐẦU
Ra đời cách đây nửa thế kỷ, robot công nghiệp đã có những bƣớc phát triển
vƣợt bậc. Nhiều nƣớc trên thế giới đã sớm áp dụng mạnh mẽ kỹ thuật robot vào sản
xuất và nó đã đem lại những hiệu quả to lớn về kinh tế kỹ thuật, nâng cao năng suất
lao động, tăng chất lƣợng sản phẩm và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện
điều kiện làm việc của công nhân…
Ở Việt Nam trong những năm 1990 hầu nhƣ nƣớc ta hoàn toàn chƣa du nhập
về kỹ thuật robot, thậm chí còn chƣa nhận đƣợc nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực
này. Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập về nhiều loại robot để
phục vụ cho sản xuất nhƣ tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công CNC, lắp ráp
các linh kiện điện tử, tao tác ở các máy ép nhựa, hàn vỏ xe ô tô, xe máy… Hiện nay
robot công nghiệp đã có mặt ở các nhà máy cơ khí, các trung tâm gia công hay tại
các nhà máy lớn nhƣ nhà máy Honda, nhà máy Yamaha, nhà máy Canon…

Tuy nhiên ở nƣớc ta kỹ thuật robot vẫn là khá mới mẻ, nhất là việc nghiên
cứu về robot mà cụ thể là thiết lập và giải các phƣơng trình động học cũng nhƣ
động lực học để từ đó làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo cũng nhƣ điều khiển
robot.
Xuất phát từ những lý do trên em đã chọn và thực hiện luận văn tốt nghiệp
cao học với để tài “ Tính toán động lực học robot hàn Almega AII” với mục tiêu
là thiết lập cũng nhƣ giải các phƣơng trình động học và động lực học.
Em rất vinh dự đƣợc học tập và nghiên cứu tại khóa đào tạo thạc sĩ 2011B –
Cơ điện tử của trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, luận văn đã hoàn thành và đạt
đƣợc yêu cầu đề ra là tính toán động lực học robot hàn Almega AII.
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, ngƣời luôn chỉ bảo tận
tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để luận văn của em đƣợc hoàn thành. Em cũng
xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè đồng nghiệp, các thày cô trong khoa
Cơ khí trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Nam Định nơi em đang công tác đã giúp
đỡ em trong quá trình học tập. Em hy vọng đề tài này sẽ đƣợc ứng dụng vào thực tế,

8


góp phần nhỏ vào công nghệ hàn tự động và cũng là để hiện đại hóa ngành hàn
trong tƣơng lai.
Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhƣng vì năng lực, kinh nghiệm và thời gian có
hạn nên luận văn của em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót.
Em xin trân trọng cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thày và các bạn
đồng nghiệp để luận văn của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
NGƢỜI LÀM LUẬN VĂN

Phạm Văn Trưởng

9


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT HÀN ALMEGA AII
1.1. Tổng quan về robot
Từ rất lâu con ngƣời đã mong muốn tạo ra những vật giống nhƣ mình để bắt
chúng phục vụ cho bản thân mình. Đến năm 1921 thuật ngữ “Robot” ra đời xuất
hiện trong vở kịnh “ Rossum‟s Universal Robot” của nhà viễn tƣởng ngƣời Sec,
Kerel Capek.
Vào những năm 40 nhà văn viễn tƣởng ngƣời Nga, Issac Asimov mô tả
Robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con ngƣời đƣợc điều khiển
của một hệ thần kinh khả trình, do chính con ngƣời lập trình. Asimov đặt tên cho
ngành khoa học nghiên cứu về Robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản
và là nền tảng cho việc thiết kế Robot :
- Robot không đƣợc xúc phạm con ngƣời và không gây tổn hại cho con
ngƣời.
- Hoạt động của Robot phải tuân theo các quy tắc do con ngƣời đặt ra.Các
quy tắc này không đƣợc vi phạm quy tắc thứ nhất.
- Một Robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhƣng không đƣợc vi
phạm hai nguyên tắc trƣớc.
Hơn 20 năm sau, ƣớc mơ viễn tƣởng của Kerel Capek đã bắt đầu thực hiện.
Ngay sau chiến chanh thế giới làn 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những cánh tay máy
bất kỳ điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
Vào những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại
tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, nhƣ tay máy Minotaur hoặc tay máy
Handyman của General Electric. Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết bị
có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chƣơng trình”. Đến năm 1956
Devol cùng với Joseph F. Engelber, một kỹ sƣ trẻ của công nghiệp hàng không đã tạo
ra loại robot công nghiệp đầu tiên của công ty Unimation. Nhƣng đến năm 1975 công
ty mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này.

Chiếc Robot công nghiệp đƣợc đƣa và ứng dụng đầu tiên năm 1961, ở một
nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì.

10


Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty
AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company). Đến năm 1990 có
hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ nhƣ công ty Hitachi
và công ty Mitsubishi đã đƣa ra thị trƣờng quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý
nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trƣờng làm
việc. Tại trƣờng đại học tổng hợp Stanford ngƣời ta đã tạo loại robot lắp giáp tự
động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực
và thị giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có cảm biến xúc
giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy vi tính để lắp giáp các máy in gồm 20
cụm chi tiết. Vào thời điểm này ở nhiều nƣớc khác cũng tiến hành công trình
nghiên cứu tƣơng tự, tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các
thiết bị cảm biến và các thiết diện giao tiếp ngƣời với máy.
Một lĩnh vực đƣợc nhiều ngƣời quan tâm là robot tự hành. Các công trình
nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hƣớng bắt chƣớc chân ngƣời hoặc súc vật.
Các robot này còn chƣa ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Tuy nhiên các loại
xe robot (robocar) lại nhanh chóng đƣa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự
động linh hoạt.
Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ
thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lƣợng robot công nghiệp đã gia tăng, giá
thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bƣớc tiến vƣợt bậc. Nhờ vậy robot công
nghiệp vó vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Ngày nay, chuyên ngành khoa học về robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh
vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu, động học, động lực

học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…
Sự ra đời của robot công nghiệp là bƣớc ngoặt lịch sử trong sự phát triển
Robotics nói chung. Bởi vì từ đó robot đã khẳng định đƣợc hiệu quả kinh tế to lớn
mà nó đem lại cho chúng ta bƣớc vào dây chuyền sản xuất nhƣ một phƣơng
thức tiêu biểu cho nền công nghiệp hiện đại. Từ đây Robotics đƣợc đầu tƣ nghiên

11


cứu, vận dụng nhiều thành tựu khoa học để phát triển vƣợt bậc. Hầu hết các robot
hiện đang có đều đƣợc dùng trong công nghiệp, chúng có đặc điểm riêng về cấu
chúc chức năng, đã đƣợc thống nhất, thƣơng mại hóa rộng rãi. Lớp robot này đƣợc
gọi là robot công nghiệp (Industrial Robot- IR). Robot công nghiệp (RBCN) có 2
đặc trƣng cơ bản:
- Là thiết bị vạn năng đƣợc TĐH theo chƣơng trình và có thể lập trình lại để
đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.
- Đƣợc ứng dụng trong những trƣờng hợp mang tính công nghiệp đặc trƣng
nhƣ vận chuyển xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lƣờng...
Từ 2 đặc trƣng cơ bản trên của RBCN, hiện nay RBCN đƣợc định nghĩa
nhƣ sau:
- Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ (Robot institute of America - RIA):
RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chƣơng trình và có thể lập trình lại để
hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công
nghiệp, nhƣ vận chuyển nguyên vật liệu chi tiết dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên
dùng khác.
- Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga) : Robot công nghiệp là một máy
tự động, đƣợc đặt cố định hoặc di động đƣợc, liên kết giữa một tay máy và một hệ
thống điều khiển theo chƣơng trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức
năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) : Robot công nghiệp là một cơ

cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chƣơng trình, tổng hợp các
chƣơng trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định hƣớng, di
chuyển các đối tƣợng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp . . . theo những hành trình
thay đổi đã chƣơng trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
Với đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thiết bị TĐH ngày càng trở
thành bộ phận không thể thiếu trong hệ thống sản xuất.
Từ khi mới ra đời Robot công nghiệp đƣợc ứng dụng nhiều trong mọi lĩnh
vực dƣới góc độ thay thế con ngƣời. Nhờ vậy dây chuyền sản xuất đƣợc tổ chức

12


lại, năng suất và hiệu quả tăng lên rõ rệt.
Robot công nghiệp có khả năng chƣơng trình hóa linh hoạt trên nhiều
trục chuyển động, biểu thị số bặc tự do của chúng. Đƣợc ứng dụng nhiều trong các
ngành: hàn, lắp ráp, gia công cắt gọt, phun phủ, rót kim loại .
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất
dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lƣợng và khả năng cạnh tranh
của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt đƣợc các mục tiêu trên là
nhờ vào các khả năng to lớn của robot nhƣ:
+ Làm việc không biết mệt mỏi
+ Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo
+ Chịu đƣợc tia phóng xạ và các môi trƣờng làm việc độc hại, nhiệt độ
cao.
+ Thay thế con ngƣời trong các công việc đơn điệu mà dễ gây mệt mỏi,
nhầm lẫn ...
Trong ngành cơ khí, robot đƣợc sử dụng nhiều trong công nghệ đúc,
công nghệ hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận
chuyển phôi, lắp giáp sản phẩm …
Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy

CNC với các robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức độ tự động hoá cao,
mức độ linh hoạt cao,…ở đây các máy và robot cùng đƣợc điều khiển một hệ
thống chƣơng trình. Dƣới đây là hình ảnh về một vài robot và nơi hoạt động của
chúng:

13


Hình 1.1. Robot trên dây truyền của một trung tâm sản xuất linh hoạt

Hình 1.2. Robot phục vụ máy phay CNC
Rõ ràng khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vƣợt trội hơn
khả năng của con ngƣời, do đó là phƣơng tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao
năng suất lao động, giảm nhẹ cho con ngƣời những công việc nặng nhọc và độc hại.
Nhƣợc điểm lớn nhất của robot là chƣa linh hoạt nhƣ con ngƣời; trong dây chuyền
tự động, nếu một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền,
cho nên robot vẫn luôn hoạt động dƣới sự giám sát của con ngƣời.

14


1.2. Cấu trúc – hoạt động của robot hànAlmega AII
1.2.1. Robot hàn hồ quang
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phƣơng pháp hàn khác nhau. Nói chung
các phƣơng pháp hàn ngày càng hoàn thiện và phát triển hơn. Nó đƣợc sử dụng
rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng, ngành công
nghiệp ô tô, xe máy, đóng tàu và đặc biệt là ngành hàng không – vũ trụ.
Bản chất của hàn kim loại là quá trình công nghệ nối 2 hoặc nhiều phần tử
(chi tiết, bộ phận) lại với nhau thành một khối bền vững không tháo rời bằng cách
dùng nguồn nhiệt để nung nóng vị trí cần nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng

hoặc dẻo) sau đó kim loại lỏng tự kết tinh (trạng thái lỏng) hoặc dùng thêm
ngoại lực ép chúng dính lại với nhau (trạng thái dẻo) để tạo thành mối hàn.
Vậy vấn đề đặt ra là tại sao lại phải hàn bằng robot và khi nào thì dùng robot
hàn. Trƣớc tiên ta thấy những lợi ích lớn nhất của hàn tự động là có độ chính xác
và năng suất cao, hàn bằng robot sẽ nâng cao độ tin cậy của mối hàn. Một khi
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.

Hình 1.3. Hàn bằng robot
Chuyển động của mỏ hàn đƣợc tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi
trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lƣợng công việc phải làm lại. Robot
không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm,

15


có thể thực hiện đƣợc các đƣờng hàn phức tạp, chất lƣợng mối hàn tốt và tính thẩm
mỹ cao, hiệu quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay. Quá trình hàn đƣợc tự
động hóa giải phóng ngƣời công nhân khỏi những tác hại khi hàn do tiếp xúc với
bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc.
Một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại trên những chi tiết giống
nhau sẽ tích hợp để tự động hóa. Số lƣợng chi tiết cần hàn trong quá trình chế tạo
quyết định xem có nên tự động hóa quá trình hàn hay không. Nếu bình thƣờng phải
điều chỉnh các chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các mối hàn quá rộng hoặc có vị trí
khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự động hóa đƣợc.
Chính vì những lý do trên mà hiện nay rất nhiều công ty, nhà máy sử dụng
robot hàn. Hiện nay trên thị trƣờng trong nƣớc có rất nhiều chủng loại robot
hàn của nhiều hãng khác nhau nhƣ: Panasonic (hình 1.4), ABB (hình 1.5),
Motoman (hình 1.6), OTC…

Hình 1.4. Robot hàn Panasonic AW-005CL

Hình 1.5. Robot hàn ABB IRB 1410
16


Hình 1.6. Robot hàn Motoman SK45
1.2.2. Robot hàn Almega AII
Robot hàn hồ quang Almega AII (hình 1.7) là một thiết bị vạn năng đƣợc
tự động hóa theo chƣơng trình có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh
hoạt, khéo léo các nhiệm vụ. Robot có kết cấu dạng tay máy với các tay máy
đƣợc nối với nhau bởi cáp đồng trục. Robot này hoạt động động rất linh
hoạt trong không gian hạn chế hoặc đồ đạc phức tạp. Những cải tiến gần
đây trong hoạt động dẫn đến thời gian chu kỳ ngắn hơn và tăng năng suất.

Hình 1.7. Robot hàn Almega AII

17


Một số tính năng và lợi ích:
- Cánh tay đƣợc nối với nhau bởi cáp đồng trục.
- Mỏ hàn quay với góc rộng.
- Tích hợp cảm biến trong mỏ hàn.
- Nhanh hơn nhƣng chuyển động mƣợt mà hơn.
- Mỗi cánh tay đều có một khớp độc lập.
- Thuận lợi cho ngƣời sử dụng bằng cách hiển thị trực quan.
- Thiết kế dễ sử dụng, sửa chữa nhanh chóng.
Robot hàn Almega AII đƣợc sử dụng cho nhiều phƣơng pháp hàn
khác nhau nhƣ: TIG, MIG, MAG và còn cả ứng dụng cắt plasma.

Đặc điểm kỹ thuật của robot hàn Almega AII đƣợc thể hiện trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Đặc điểm kỹ thuật của Robot hàn Almega AII
Mô tả

TT

Đặc điểm kỹ thuật

1

Số bậc tự do

2

Tải trọng cho phép

6 kg

3

Khả năng tinh chỉnh

±0,08 mm

4

Tầm với

5

Hệ thống dẫn động

6

Công suất

2600 W

7

Trọng lƣợng

160 kg

8

Cách lắp đặt

Sàn, trần hoặc treo tƣờng

6

1,4m
AC Servo Motor

Dƣới đây là một số hình ảnh về quá trình hoạt động của robot hàn Almega
AII:

18

Hình 1.8. Hàn trong dây chuyền tự động

Hình 1.9. Hàn chi tiết máy
1.3. Xây dựng mô hình
Khi nghiên cứu mô hình thực gặp nhiều khó khăn nhƣ giá thành đắt, thời
gian nghiên cứu dài; nguy hiểm và nhiều khi không đủ điều kiện triển khai. Đồng
thời trong quá trình nghiên cứu chúng ta lại cần sự linh hoạt trong việc điều chỉnh
hệ thống nhƣ: thay đổi cấu trúc, thay đổi tham số. Vì vậy ta phải tiến hành mô hình
hóa.
Trong quá trình mô hình hóa, ta sẽ cần xem xét đến số bậc tự do, kích thƣớc,
hình dáng, khối lƣợng, cấu trúc động học,… để từ đó giữ lại các thuộc tính quan
trọng, loại bỏ các thuộc tính không gây ảnh hƣởng đến mục đích nghiên cứu.

19


Từ đây ta tiến hành mô hình hóa cho các bộ phận của Robot hàn nhƣ sau:
- Khâu 0 (đế):

Hình 1.10. Đế
- Khâu 1:

Hình 1.11. Khâu 1

- Khâu 2:

Hình 1.12. Khâu 2

20

- Khâu 3:

Hình 1.13. Khâu 3

- Khâu 4:

Hình 1.14. Khâu 4
- Khâu 5:

Hình 1.15. Khâu 5

21


- Khâu 6:

Hình 1.16. Khâu 6
Dựa vào những bộ phận đƣợc mô hình hóa ở trên ta mô hình hóa robot hàn
Almega AII nhƣ sau:

Hình 1.17. Mô hình hóa robot hàn Almega AII

22


CHƢƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ALMEGA AII
2.1. Sơ đồ động học
2.1.1. Thiết lập hệ trục tọa độ

Dựa vào kết quả mô hình hóa ta thiết lập hệ trục tọa độ nhƣ sau:

x4

z4

q5

x'4

d4

q4

x3
q3 x2

z3

d6

x5

z5

d3

z6

x'5

q6

z2
y1

a2

y6

x'2
q2
x1
a1

z1
z0

d1

x6

x'1

x0

q1

Hình 2.1. Hệ trục tọa độ trên robot hàn Almega AII
23

y0


2.1.2. Lập bảng D - H
Từ hệ trục tọa độ vừa thiết lập ta có bảng D – H của robot hàn Almega AII
nhƣ sau:
Bảng 2.1: Bảng D-H của robot hàn Almega AII
Khâu

θi

di

ai

αi

1

q1

d1

-a1

π/2

2

q2

0

a2

0

3

q3

d3

0

-π/2

4

q4

d4

0

π/2

5

q5

0

0

π/2

6

q6

d6

0

0

2.2. Lập phƣơng trình động học
2.2.1. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác
Vị trí và hƣớng của khâu thao tác đƣợc xác định bởi các tọa độ thao tác gồm
các tọa độ định vị điểm tác động cuối và hƣớng của khâu thao tác.
Vector tọa độ định vị khâu thao tác (End - effector):
pE   xE , yE , zE ,  ,  , 

T

(2.1)

Trong đó 3 thành phần đầu mô tảo vị trí của điểm tác động cuối E (gốc tọa
độ gắn vào End - effector) và 3 thành phần cuối mô tả hƣớng của EF đối với hệ tọa

độ cố định.
Khi đó trạng thái EF đƣợc biểu thị bằng ma trận:
0

 0R
An  0 AE   Tn
0

rE 

1 

0

(2.2)

Trong đó các ma trận con là:
0

rE   xE , yE , zE 

(2.3)

0

 c11  ,  ,  c12  ,  ,  c13  ,  ,  


Rn  ,  ,   c21  ,  ,  c22  ,  ,  c23  ,  ,  
 c31  ,  ,  c32  ,  ,  c33  ,  ,  

(2.4)

T

24