Tính toán, thiết kế và mô phỏng robot hàn trên dây chuyền hàn thân xe ô tô tự động

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
ROBOT HÀN TRÊN DÂY CHUYỀN HÀN THÂN XE
Ô TÔ TỰ ĐỘNG
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ
MÃ SỐ:

ĐỖ ANH TUẤN

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHAN BÙI KHÔI

HÀ NỘI - 2008


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................... Error! Bookmark not defined.
MỤC LỤC......................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ...... Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN ................................................. Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU......................................................... Error! Bookmark not defined.
Chương 1 ......................................................... Error! Bookmark not defined.
TỔNG QUAN ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.1 TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ..Error! Bookmark not
defined.
1.2 HÀN VÀ CÔNG NGHỆ HÀN ......... Error! Bookmark not defined.
1.2.1 Khái niệm hàn............................. Error! Bookmark not defined.

1.2.2 Phân loại hàn .............................. Error! Bookmark not defined.
1.2.3 Ứng dụng công nghệ hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô.Error!
Bookmark not defined.
1.3 ROBOT CÔNG NGHIỆP ................. Error! Bookmark not defined.
1.3.1 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp...Error! Bookmark not
defined.
1.3.2 Bậc tự do của robot..................... Error! Bookmark not defined.
1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng.......Error! Bookmark not
defined.
1.3.4 Một số hình ảnh về robot và ứng dụng của nó:Error! Bookmark
not defined.
1.4 THIẾT KẾ SƠ BỘ ROBOT HÀN .... Error! Bookmark not defined.
1.4.1 Đối tượng hàn và quá trình hàn .. Error! Bookmark not defined.
1.4.2 Lựa chọn cấu trúc robot hàn điểm.............Error! Bookmark not
defined.
1.4.3 Giới thiệu phần mềm thiết kế CATIA.......Error! Bookmark not
defined.
1.4.4 Thiết kế sơ bộ robot hàn điểm và dây chuyền hàn bằng phần
mềm CATIA............................................ Error! Bookmark not defined.
Chương 2 ......................................................... Error! Bookmark not defined.
ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ĐIỂM ................ Error! Bookmark not defined.
2.1 THAO TÁC CÔNG NGHỆ VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐIỂM HÀNError!
Bookmark not defined.
2.2 XÂY DỰNG CÁC HỆ TOẠ ĐỘ CỦA CÁC KHÂU CHO ROBOT
Error! Bookmark not defined.
2.3 TOẠ ĐỘ THUẦN NHẤT VÀ MA TRẬN BIẾN ĐỔI THUẦN
NHẤT.......................................................... Error! Bookmark not defined.


2.4 ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN.............. Error! Bookmark not defined.

2.4.1 Bài toán động học thuận của robot............Error! Bookmark not
defined.
2.4.2 Bài toán động học ngược của robot...........Error! Bookmark not
defined.
2.5 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC BẰNG PHẦN MỀM MAPLE 9.5
Error! Bookmark not defined.
2.5.1 Giới thiệu phần mềm Maple....... Error! Bookmark not defined.
2.5.2 Lập trình và kết quả giải bài toán động học về vị trí...........Error!
Bookmark not defined.
Chương 3 ......................................................... Error! Bookmark not defined.
ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT HÀN ĐIỂMError! Bookmark
not defined.
3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MSC.DYNAMIC DESIGNER
MOTION..................................................... Error! Bookmark not defined.
3.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN BẰNG PHẦN
MỀM DDM ................................................. Error! Bookmark not defined.
Chương 4 ......................................................... Error! Bookmark not defined.
TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN VÀ THIẾT KẾ ROBOT..Error! Bookmark not
defined.
4.1 THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP. Error!
Bookmark not defined.
4.1.1 Bộ truyền bánh răng sóng (The Harmonic Drive)...............Error!
Bookmark not defined.
4.1.2 Bộ truyền bánh răng con lăn - Cycloid hành tinh ...............Error!
Bookmark not defined.
4.1.3 Truyền động vít đai ốc bi............ Error! Bookmark not defined.
4.1.4 Truyền động thuỷ khí ................. Error! Bookmark not defined.
4.1.5 Động cơ dẫn động....................... Error! Bookmark not defined.
4.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU ROBOT HÀN..............Error! Bookmark not
defined.

4.2.1 Tính chọn bộ truyền.................... Error! Bookmark not defined.
4.2.2 Tính chọn ổ đỡ, ổ chặn ............... Error! Bookmark not defined.
4.2.3 Thiết kế kết cấu........................... Error! Bookmark not defined.
4.2.4 Tính bền...................................... Error! Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ..................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................... Error! Bookmark not defined.


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn do tôi hoàn thành. Các số liệu và kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đỗ Anh Tuấn


2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
MỤC LỤC......................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ........................................................ 4
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 7
Chương 1 ........................................................................................................... 9
TỔNG QUAN ................................................................................................... 9

1.1 TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ..................................... 9
1.2 HÀN VÀ CÔNG NGHỆ HÀN ......................................................... 10
1.2.1 Khái niệm hàn............................................................................. 10
1.2.2 Phân loại hàn .............................................................................. 11
1.2.3 Ứng dụng công nghệ hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô........ 13
1.3 ROBOT CÔNG NGHIỆP ................................................................. 15
1.3.1 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp.................................... 16
1.3.2 Bậc tự do của robot..................................................................... 19
1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng........................................ 20
1.3.4 Một số hình ảnh về robot và ứng dụng của nó: .......................... 22
1.4 THIẾT KẾ SƠ BỘ ROBOT HÀN .................................................... 23
1.4.1 Đối tượng hàn và quá trình hàn .................................................. 23
1.4.2 Lựa chọn cấu trúc robot hàn điểm.............................................. 24
1.4.3 Giới thiệu phần mềm thiết kế CATIA........................................ 26
1.4.4 Thiết kế sơ bộ robot hàn điểm và dây chuyền hàn bằng phần
mềm CATIA............................................................................................ 35
Chương 2 ......................................................................................................... 42
ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ĐIỂM ................................................................ 42
2.1 THAO TÁC CÔNG NGHỆ VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐIỂM HÀN ...... 42
2.2 XÂY DỰNG CÁC HỆ TOẠ ĐỘ CỦA CÁC KHÂU CHO ROBOT
44
2.3 TOẠ ĐỘ THUẦN NHẤT VÀ MA TRẬN BIẾN ĐỔI THUẦN
NHẤT.......................................................................................................... 48
2.4 ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN.............................................................. 53
2.4.1 Bài toán động học thuận của robot............................................. 55
2.4.2 Bài toán động học ngược của robot............................................ 58
2.5 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC BẰNG PHẦN MỀM MAPLE 9.5. 60
2.5.1 Giới thiệu phần mềm Maple....................................................... 60
2.5.2 Lập trình và kết quả giải bài toán động học về vị trí.................. 60
Chương 3 ......................................................................................................... 66

ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT HÀN ĐIỂM.......................... 66


3
3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MSC.DYNAMIC DESIGNER
MOTION..................................................................................................... 67
3.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN BẰNG PHẦN
MỀM DDM ................................................................................................. 70
Chương 4 ......................................................................................................... 74
TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN VÀ THIẾT KẾ ROBOT................................... 74
4.1 THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP. ....... 74
4.1.1 Bộ truyền bánh răng sóng (The Harmonic Drive)...................... 75
4.1.2 Bộ truyền bánh răng con lăn - Cycloid hành tinh ...................... 83
4.1.3 Truyền động vít đai ốc bi............................................................ 86
4.1.4 Truyền động thuỷ khí ................................................................. 87
4.1.5 Động cơ dẫn động....................................................................... 89
4.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU ROBOT HÀN............................................... 93
4.2.1 Tính chọn bộ truyền.................................................................... 94
4.2.2 Tính chọn ổ đỡ, ổ chặn ............................................................... 98
4.2.3 Thiết kế kết cấu......................................................................... 102
4.2.4 Tính bền.................................................................................... 103
KẾT LUẬN ................................................................................................... 107
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 108


4

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hệ thống robot hàn thân xe ô tô tự động. ....................................... 10
Hình 1.2: Nguyên lý hàn điểm ........................................................................ 13

Hình 1.3: Các thành phần chính của hệ thống robot....................................... 17
Hình 1.4: Cánh tay robot 6 bậc tự do
Hình 1.5: Robot hàn điểm...... 22
Hình 1.6: Robot phay sản phẩm
Hình 1.7: Robot cắt laze .......... 22
Hình 1.8: Robot trên dây chuyền hàn thân xe ô tô.......................................... 23
Hình 1.9: Robot cấp dỡ phôi
Hình 1.10: Robot gắp chi tiết
cho máy dập
cho máy ép nhựa.................................... 23
Hình 1.11: Kích thước cơ bản của thân xe ô tô............................................... 24
Hình 1.12: Cấu trúc của robot hàn .................................................................. 25
Hình 1.13: Các modul của phần mềm CATIA ............................................... 28
Hình 1.14: Giao diện người dùng của CATIA................................................ 29
Hình 1.15: Modul Mechanical Design............................................................ 30
Hình 1.16: Giao diện nhánh Sketcher ............................................................. 31
Hình 1.17: Cách đăng nhập vào nhánh Part Design ....................................... 32
Hình 1.18: Giao diện nhánh Part Design ........................................................ 32
Hình 1.19: Giao diện nhánh Assembly Design............................................... 33
Hình 1.20: Mối liên kết giữa các nhánh khi thiết kế sản phẩm trong CATIA 34
Hình 1.21: Giao diện các thanh Toolbars trong nhánh Generative Drafting.. 35
Hình 1.22: Mô hình khâu “0”.......................................................................... 36
Hình 1.23: Mô hình khâu 1 ............................................................................. 36
Hình 1.24: Mô hình khâu 2 ............................................................................. 37
Hình 1.25: Mô hình khâu 3 ............................................................................. 37
Hình 1.26: Mô hình khâu 4 ............................................................................. 38
Hình 1.27: Mô hình khâu 5 ............................................................................. 38
Hình 1.28: Mô hình khâu 6 ............................................................................. 39
Hình 1.29: Mô hình robot hàn......................................................................... 39
Hình 1.30: Kích thước cơ bản của robot hàn .................................................. 40

Hình 1.31: Bố trí robot hàn trong dây chuyền hàn thân xe ô tô...................... 41
Hình 2.1: Toạ độ điểm hàn.............................................................................. 42
Hình 2.2: Súng hàn kiểu chữ X....................................................................... 43
Hình 2.3: Toạ độ điểm hàn và đầu hàn. .......................................................... 43
Hình 2.4: Chiều dài và góc xoắn của một khâu .............................................. 45
Hình 2.5: Các thông số của khâu: q, d, a và α ............................................... 45
Hình 2.6: Hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot............................................ 47
Hình 2.7: Cơ hệ robot hàn và thân xe ô tô ...................................................... 48
Hình 2.8: Giao diện chương trình tính toán động học .................................... 62
Hình 2.9: Quỹ đạo khâu 1 ............................................................................... 62


5
Hình 2.10 Quỹ đạo khâu 2 .............................................................................. 63
Hình 2.11: Quỹ đạo khâu 3 ............................................................................. 63
Hình 2.12: Quỹ đạo khâu 4 ............................................................................. 64
Hình 2.13: Quỹ đạo khâu 5 ............................................................................. 64
Hình 2.14: Quỹ đạo khâu 6 ............................................................................. 65
Hình 2.15: Quỹ đạo chuyển động của đầu mỏ hàn ......................................... 65
Hình 3.1: Giao diện làm việc và thanh trình duyệt của DDM trong Inventor 67
Hình 3.2: Quy trình sử dụng DDM ................................................................. 69
Hình 3.3: Giá trị mô mem trên khớp 1............................................................ 71
Hình 3.4: Giá trị mô mem trên khớp 2............................................................ 72
Hình 3.5: Giá trị mô mem trên khớp 3............................................................ 72
Hình 3.6: Giá trị mô mem trên khớp 4............................................................ 72
Hình 3.7: Giá trị mô mem trên khớp 5............................................................ 73
Hình 3.8: Giá trị mô mem trên khớp 6............................................................ 73
Hình 4.1 Cấu tạo bộ truyền bánh răng sóng.................................................... 75
Hình 4.2: Cấu hình dẫn động và tỉ số truyền tương ứng của bộ truyền bánh
răng sóng ......................................................................................................... 82

Hình 4.3: Bố trí bộ truyền bánh răng sóng trong cánh tay robot SCARA...... 83
Hình 4.4: Sơ đồ hộp giảm tốc bánh răng cycloid hành tinh ........................... 83
Hình 4.5: Sơ đồ tạo hình ăn khớp bánh răng cycloid...................................... 84
Hình 4.6: Bộ truyền bánh răng con lăn-epicycloid ......................................... 85
Hình 4.7: Bộ truyền bánh răng con lăn hypocycloid ...................................... 85
Hình 4.8: Sơ đồ kết cấu bộ truyền vít bi đai ốc. ............................................. 87
Hình 4.9: Động cơ bước.................................................................................. 91
Hình 4.10: Động cơ servo và driver điều khiển .............................................. 93
Hình 4.11: Đồ thị tải trọng .............................................................................. 94
Hình 4.12: Sơ đồ tính lực ................................................................................ 98
Hình 4.13: Giao diện tính chọn và kết quả tính chọn ổ đỡ ........................... 100
Hình 4.14: Giao diện tính chọn và kết quả tính chọn ổ chặn........................ 101
Hình 4.15 Kết cấu khớp 1 ............................................................................. 102
Hình 4.16 Giao diện nhánh Generative Structural Analysis......................... 104
Hình 4.17 Khai báo tải trọng và liên kết cho khâu 0 .................................... 104
Hình 4.18 Giá trị ứng suất............................................................................. 105
Hình 4.19 Giá trị chuyển vị........................................................................... 105


6

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em luôn nhận
được sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân và sự dạy bảo của các
thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà nội.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Cơ khí - Trường Đại học
Bách khoa Hà nội đã tận tình dạy bảo em trong suốt khoá học. Em muốn đặc
biệt cảm ơn thầy giáo TS. Phan Bùi Khôi đã hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn
thành luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng

nghiệp đã động viên, hỗ trợ và giúp đỡ em trong suốt khoá học.


7

MỞ ĐẦU
Tự động hoá quá trình sản xuất nhằm giải phóng sức lao động của con người,
nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu suất, làm giảm giá thành sản
phẩm và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm. Chất lượng sản phẩm và tính
cạnh tranh của nó là những yếu tố rất quan trọng để làm nên thành công của
doanh nghiệp nói riêng và của nền kinh tế của một quốc gia nói chung.
Ngày nay, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là
trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật công nghệ cao như tin học, công nghệ thông
tin, điều khiển tự động, robot công nghiệp… đã làm cho việc tự động hoá quá
trình sản xuất ngày càng phát triển, công nghệ sản xuất chuyển sang thời kỳ
mới: thời kỳ “công nghệ sản xuất tiên tiến” (Advanced Manufacturing
Technology) mà trong đó robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong
quá trình tự động hoá sản xuất. Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng robot vào
sản xuất tự động được quan tâm nghiên cứu rộng rãi.
Trong thực tế sản xuất có rất nhiều những sản phẩm hàn đòi hỏi sản lượng
nhiều, độ chính xác cao, chất lượng mối hàn đồng đều và tốt mà nếu hàn bằng
tay thì không thể đáp ứng được. Ví dụ như trong lĩnh vực hàn của ngành công
nghiệp ô tô, xe máy, đóng tàu, … Qua tìm hiểu thực tế thì ở nước ta hiện nay
có rất nhiều nhà máy sản xuất ô tô như Công ty TOYOTA Việt Nam, Công ty
HONDA Việt Nam, Công ty Ford Việt Nam, Công ty Daewoo Bus Việt Nam,
Vinaxuki, … và đa số các nhà máy đóng tàu thì hầu hết các mối hàn được
thực hiện bằng phương pháp hàn thủ công, người công nhân điều khiển thiết
bị hàn và thực hiện hàn bằng tay. Do vậy, chất lượng mối hàn, độ đồng đều
kém, thời gian hàn lâu, hơn nữa, do thao tác hàn lặp đi lặp lại nên dễ gây ra
hiện tượng mệt mỏi và nhàm chán của người công nhân. Với sự phát triển của

khoa học kỹ thuật cho phép ta triển khai các ứng dụng của robot công nghiệp


8
vào quá trình hàn để tự động hoá quá trình hàn nhằm mang lại hiệu quả kinh
tế cao, giảm ảnh hưởng độc hại của khí hàn đến sức khoẻ con người, tăng chất
lượng và độ tin cậy của sản phẩm, cải thiện môi trường cũng như hình ảnh
của doanh nghiệp, sẽ giúp doanh nghiệp hoạt động hiệu quả hơn và mang lại
sự phát triển chung cho cả xã hội.
Hơn nữa, hiện nay ở nước ta đã và đang nhập khẩu rất nhiều những thiết bị
hiện đại phục vụ cho ngành chế tạo máy, trong đó có các robot công nghiệp.
Việc đào tạo những kỹ sư, cán bộ khoa học kỹ thuật có kiến thức và trình độ
hiểu biết đối với những thiết bị này trước tiên để khai thác và sử dụng có hiệu
quả và tiến tới có thể làm chủ từ khai thác, sử dụng và thiết kế chế tạo ra
chúng là rất cấp bách và cần thiết.
Với những lý do trên, đề tài: “Tính toán, thiết kế và mô phỏng robot hàn trên
dây chuyền hàn thân xe ôtô tự động” đã được em chọn làm đề tài luận văn tốt
nghiệp Thạc sỹ.
Luận văn này tập trung nghiên cứu, tính toán động học, động lực học và thiết
kế robot công nghiệp dùng trong dây chuyền hàn thân xe ô tô. Nội dung bao
gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về tự động hoá sản xuất, công nghệ hàn và robot hàn.
Chương 2: Động học robot hàn điểm.
Chương 3: Động lực học và mô phỏng robot hàn điểm.
Chương 4: Tính chọn bộ truyền và thiết kế robot.


9

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
Từ rất lâu, loài người trên thế giới luôn mong muốn chế tạo ra các loại máy có
khả năng thay thế sức lao động của mình trong các hoạt động sản xuất ra của
cải vật chất và các công việc thường ngày.
Vào năm 1765, chiếc máy tự động đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp
do một thợ cơ khí người Nga có tên là Pônzunôp chế tạo dùng để giữ cố định
mực nước trong nồi hơi mà không phụ thuộc vào lượng tiêu hao hơi nước.
Sau đó có rất nhiều các máy, cơ cấu tự động được áp dụng trong công nghiệp
như máy tiện chép hình, máy tiện tự động có ổ cấp phôi và trục phân phối
mang các cam đĩa và cam thùng.
Ngày nay, nhờ các thành tựu to lớn của khoa học công nghệ, đặc biệt là sự
xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn như kỹ thuật linh hoạt (Agile
engineering), hệ thống điều hành sản xuất qua màn hình (Visual
Manufacturing Systems), kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) và
công nghệ Nano (Nano Technology) đã cho phép thực hiện tự động hoá toàn
phần cả trong sản xuất hàng khối cũng như trong sản xuất loạt nhỏ và đơn
chiếc điều mà trước kia khó có thể thực hiện được. Nhờ những thành tựu đó
mà hàng loạt các máy móc thiết bị và hệ thống tự động hoá hoàn toàn mới
phục vụ cho lĩnh vực công nghiệp chế tạo máy như các loại máy điều khiển số
NC, các trung tâm gia công CNC, các hệ thống điều khiển theo chương trình
PLC (Programmable Logic Control), các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
(Flexible Manufacturing Systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM
(Computer Intergrated Manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm


10
gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít nhất, rút ngắn chu kỳ sản xuất sản
phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh của sản xuất hiện đại, nâng cao chất
lượng, số lượng sản phẩm và giảm giá thành để tăng tính cạnh tranh cho sản

phẩm nhằm thoả mãn nhu cầu của người tiêu dùng.
1.2 HÀN VÀ CÔNG NGHỆ HÀN
Trong chế tạo cơ khí, công nghệ hàn đóng một vai trò quan trọng. Song song
với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì công nghệ hàn cũng có những phát
triển tương xứng nhờ việc ứng dụng các thiết bị công nghệ mới vào quá trình
hàn.
Ngày nay, trên thế giới có rất nhiều phương pháp, công nghệ hàn và thiết bị
hàn khác nhau từ hàn thủ công (bằng tay của người thợ hàn) cho đến hàn bán
tự đông và hàn tự động; từ các thiết bị hàn đơn giản, thô sơ và đơn lẻ cho đến
những hệ thống, dây chuyền robot hàn bán tự động hoặc tự động hoàn toàn.

Hình 1.1: Hệ thống robot hàn thân xe ô tô tự động.
1.2.1 Khái niệm hàn
- Khái niệm hàn: Hàn là phương pháp công nghệ nối các kim loại hoặc phi
kim loại với nhau bằng cách nung nóng chỗ nối đến trạng thái hàn (chảy hoặc


11
dẻo). Sau đó kim loại hoá rắn hoặc thông qua có lực ép, chỗ nối tạo thành mối
liên kết bền vững gọi là mối hàn.
- Nguyên lý hàn: Khi hàn nóng chảy kim loại ở chỗ hàn đạt tới trạng thái
lỏng. Sự nóng chảy cục bộ của kim loại cơ bản được thực hiện tại các mép
của phần tử ghép. Có thể hàn bằng cách làm chảy kim loại cơ bản hoặc làm
chảy kim loại cơ bản và vật liệu bổ sung. Kim loại cơ bản, hoặc kim loại cơ
bản và kim loại bổ sung nóng chảy tự rót vào bể hàn và tẩm ướt bề mặt rắn
của các phần tử ghép. Khi tắt nguồn đốt nóng kim loại lỏng nguội và đông
đặc - kết tinh, sau khi bể hàn kết tinh tạo thành mối hàn nguyên khối với cấu
trúc liên kết hai chi tiết làm một.
- Ưu điểm:
Hàn là quá trình công nghệ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo và phục hồi các

kết cấu và chi tiết. Hàn có các ưu điểm sau:
+ Tiết kiệm kim loại.
+ Nối được kim loại có các tính chất khác nhau.
+ Tạo được các chi tiết, kết cấu máy phức tạp mà các phương pháp khác
không làm được hoặc khó khăn.
+ Độ bền mối hàn cao, mối hàn kín.
- Nhược điểm:
Tạo ra ứng suất dư làm cho sản phẩm bị cong vênh khi nguội.
1.2.2 Phân loại hàn
Theo trạng thái hàn sau khi nung nóng, người ta phân ra hai loại hàn chính là:
hàn nóng chảy và hàn áp lực.
a. Hàn nóng chảy


12

Hàn laser
(Laser beam welding)
Hàn plasma
(Plasma welding)

Hàn nóng chảy

Hàn chùm tia điện tử
(Electric beam welding)

Hàn hồ quang tay

Hàn hồ quang
(ARC welding)

Có lớp khí bảo vệ

Hàn điện xỉ
(electrosleg welding)

Có lớp thuốc bảo vệ

Hàn khí
(gas welding)
Hàn nhiệt
(thermit welding)

b. Hàn áp lực:
Hàn siêu âm
(ultrasonic welding)
Hàn nổ

Hàn áp lực

Hàn nguội

Hàn giáp mối
(butt welding)

Hàn điện tiếp xúc
(contact welding)

Hàn điểm
(spot welding)

Hàn ma sát
(friction welding)

Hàn đường
(seam welding)

Hàn khuyếch tán trong
chân không
Hàn cao tần
Hàn rèn


13
1.2.3 Ứng dụng công nghệ hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô
Trong công nghiệp chế tạo ô tô, thân xe ô tô được chế tạo từ các chi tiết rời
được hàn lại với nhau bằng phương pháp hàn hồ quang hoặc là hàn điểm.
Trong đó, phương pháp hàn điểm (Spot welding hay Resistance welding)
được sử dụng rộng rãi để liên kết các chi tiết của thân xe ô tô (ô tô con).
Hàn điểm là gì?
Hàn điểm là một phương pháp hàn dùng để liên kết giữa các kim loại với
nhau bởi nhiệt (Q) thu được từ điện trở của vật liệu khi cho dòng điện (I) đi
qua vùng vật liệu cần hàn và bởi áp lực trong khoảng thời gian hàn (t). Các
biến số quan trọng ảnh hưởng tới khả năng hàn bao gồm dòng điện hàn, áp
lực điện cực và thời gian hàn.

Hình 1.2: Nguyên lý hàn điểm
Phương pháp hàn điểm nằm trong nhóm hàn áp lực, các liên kết được nối lại
với nhau bằng những điểm hàn. Vật hàn được nung nóng cục bộ tại vùng bề

14
mặt cực hàn đến trạng thái dẻo, chịu lực ép tạo thành các điểm hàn. Các điện
cực hàn vừa làm nhiệm vụ dẫn điện để nung nóng, vừa truyền lực ép sơ bộ và
ép kết thúc.
Ưu nhược điểm
Ưu điểm của hàn điểm là chi phí rẻ, tốn ít năng lượng, chất lượng của mối hàn
rất tốt, có khả năng tự động hóa cao và rất phù hợp với hàn chi tiết mỏng (như
thân xe ô tô).
Nhược điểm của hàn điểm là mối hàn không kín.
Lĩnh vực ứng dụng
Hàn điểm tiếp xúc được sử dụng rộng rãi trong việc liên kết các tấm thép có
chiều dày lên tới 0.125 inch và có thể sử dụng cho rất nhiều loại vật liệu, kể
cả kết hợp nhiều vật liệu khác nhau.
Những lĩnh vực công nghiệp chính ứng dụng hàn điểm là:
- Công nghiệp ô tô.
- Hàng không.
- Sườn xe lửa, đường ray.
- Công nghiệp điện, điện tử.
- Vật gia dụng.
- Dụng cụ y học.
- Thiết bị hạt nhân.
- Đồ ăn, uống, …
Ứng dụng công nghệ hàn điểm trong công nghiệp sản xuất ô tô
Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hàn điểm tiếp xúc là trong
công nghiệp ô tô với những ưu điểm chính là tốc độ nhanh, phù hợp để tự
động hóa và dễ đưa vào các dây chuyền năng suất cao cùng với các bước sản


15

xuất khác. Bằng việc điều khiển các giá trị dòng điện, thời gian hàn và áp lực
của điện cực bằng máy tính, các mối hàn chất luợng tốt có thể được tạo ra với
tốc độ sản xuất cao, chi phí lao động thấp, không đòi hỏi nhân công lành
nghề.
Hiện nay, ở nước ta có rất nhiều nhà máy sản xuất ô tô nhưng thân xe ô tô chủ
yếu vẫn được hàn bằng phương pháp hàn thủ công, người công nhân điều
khiển súng hàn và thực hiện hàn bằng tay. Do vậy, chất lượng mối hàn, độ
đồng đều kém, thời gian hàn lâu và do thao tác hàn lặp đi lặp lại nên dễ gây ra
hiện tượng mệt mỏi, nhàm chán của người công nhân.
Ở các nước có nền công nghiệp sản xuất ô tô phát triển, thân xe ô tô được chế
tạo trong một dây chuyền hàn hoàn toàn tự động. Robot nhấc và định vị chính
xác các chi tiết thân ô tô vào đồ gá và được kẹp chặt bởi các cơ cấu tự động.
Sau đó các robot hàn tự động hàn các mối hàn đã được lập trình sẵn (Hình
1.1).
1.3 ROBOT CÔNG NGHIỆP
Ngày nay, robot nói chung và robot công nghiệp (Industrial Robot – IR) nói
riêng ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời
sống cũng nhưng trong hoạt động sản xuất. Robot công nghiệp có vai trò quan
trọng trong việc tự động hóa quá trình sản xuất. Việc ứng dụng kỹ thuật robot
trong công nghiệp là nhằm mục tiêu nâng cao năng suất, chất lượng, tính cạnh
tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc và thay thế sức lao
động của con người, đẩy nhanh sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất
nước. Đặc biệt, trong thời kỳ kinh tế thị trường, sự cạnh tranh hàng hóa, nhu
cầu tiêu dùng của con người đã khiến cho hệ thống tự động hóa sản xuất phải
có tính linh hoạt cao mà trong đó robot công nghiệp là bộ phận cấu thành


16
không thể thiếu được trong việc tạo ra những hệ thống tự động sản xuất linh
hoạt đó.

Theo tài liệu [1] thì: “Robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một
số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo gắp phôi,
dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên
thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng”. Theo ISO 8373 [10] thì: “Robot là một
tay máy đa mục tiêu có ba trục hoặc nhiều hơn, có thể lập trình, điều khiển tự
động”. Còn theo Viện Robot Hoa kỳ - 1979 (The Robot Institute of America)
[10] thì: “Robot là một tay máy đa chức năng, có thể lập trình lại, được thiết
kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dụng nhờ
hàng loạt các chuyển động khác nhau đã được lập trình để thực hiện một loạt
các nhiệm vụ khác nhau”.
1.3.1 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp
Cấu trúc của robot công nghiệp
Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay
robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến,
bộ điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính và các phần mềm lập trình. Mối quan
hệ giữa các thành phần trong robot như hình vẽ dưới đây:


17

Cảm biến

Giao diện và
các phần mềm
giao tiếp

Bộ điều
khiển và
máy tính

Nguồn
động lực

Các chương
trình

Cánh tay
Robot

Dụng cụ
thao tác

Hình 1.3: Các thành phần chính của hệ thống robot.
- Cánh tay robot (Robot Arm): Là bộ phận cơ khí gồm các khâu liên kết với
nhau bởi các khớp nối, các bộ truyền động như: Bộ truyền bánh răng, bộ
truyền đai, bộ truyền trục vít - bánh ví, vít me - đai ốc… Cánh tay robot có
cấu tạo rất đa dạng, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong dây chuyền công
nghệ. Cánh tay robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm
việc của robot.
- Nguồn động lực: Các thiết bị tạo chuyển động cho Robot, có thể là các
thiết bị khí nén, thuỷ lực, điện.
Đối với các chuyển động cần độ chính xác cao, yêu cầu gọn nhẹ người ta có
thể dùng các loại nguồn truyền động là các motor bước, các motor servo.
- Bộ điều khiển (Controller): Là thành phần quan trọng quyết định khả năng
hoạt động và độ chính xác của robot. Bộ phận này thông thường được tích
hợp dưới dạng các board mạch điều khiển.


18
- Cảm biến (Sensor): Là thiết bị chuyển các đại lượng vật lý thành các tín

hiệu điện cung cấp cho hệ thống nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và độ
chính xác trong điều khiển. Như vậy Robot chính là một hệ thống điều khiển
kín với vòng hồi tiếp (Feedback) được thực hiện từ tín hiêu thu về từ cảm
biến. Các loại cảm biến thường gặp như:
+ Cảm biến quang
+ Cảm biến vị trí và dịch chuyển.
+ Cảm biến đo góc.
+ Cảm biến vận tốc.
+ Cảm biến gia tốc và rung.
+ Cảm biến lực và biến dạng.
- Các chương trình: Các chương trình luôn tương thích với các bộ điều
khiển. Chính vì vậy các loại ngôn ngữ để viết chương trình điều khiển cho
Robot cũng khá đa dạng, có thể là ngôn ngữ viết cho vi xử lý (ngôn ngữ máy),
ngôn ngữ viết cho PLC (thuộc các hãng khác nhau), hay các ngôn ngữ trên
máy tính như: Pascal, C, C++, Visual Basic, Maple, Matlab v.v…
- Dụng cụ thao tác: Dụng cụ được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của
robot có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng
hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn ...
- Giao diện và các phần mềm giao tiếp: Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant)
dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm
việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc (phương
pháp lập trình kiểu dạy học).


19
Phân loại robot công nghiệp
Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng về chủng loại, ta có thể phân loại
theo các cách sau:
- Phân loại theo kết cấu:
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu

toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA.v.v...
- Phân loại theo vị trí công tác:
Theo cách phân loại này ta có các loại robot như: robot cấp phôi, robot vận
chuyển, robot vạn năng.v.v...
- Phân loại theo ứng dụng:
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp
ráp, robot chuyển phôi .v.v...
- Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển:
Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi),
Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo): sử dụng cảm biến, mạch phản
hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
1.3.2 Bậc tự do của robot
Bậc tự do của robot nói lên độ linh hoạt của robot, robot có số bậc tự do càng
cao thì khả năng làm việc càng linh hoạt nhưng khi đó việc tính toán, thiết kế
và chế tạo sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Tùy theo mục đích công việc mà ta sẽ
lựa chọn bậc tự do của robot để đáp ứng được thao tác công nghệ.
Theo Grubler thì bậc tự do f được tính như sau:

f = ( n − 1) λ −

g

∑(λ − f ) + f
i

i =1

c

− fr

(1.1)


20
Trong đó:
f: Số bậc tự do của robot.
n: Số khâu của robot bao gồm cả giá.
λ: Số bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm

việc của robot (λ = 3 - không gian hai chiều, λ = 6 - không gian ba chiều).
fi: Số bậc tự do của khớp thứ i.
g: Tổng số khớp của cơ cấu.
fc: Số liên kết thừa.
fr: Số bậc tự do thừa.
1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu nhược điểm
- Ưu điểm
+ Làm việc không biết mệt mỏi, có thể thay đổi chương trình điều khiển

theo mục đích thao tác công nghệ. Robot có khả năng “cảm thấy” được cả từ
trường và “nghe” được cả siêu âm.
+ Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ

vì chúng có thể thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu,
dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn. Do đó làm giảm giá thành sản phẩm.
+ Cải thiện điều kiện lao động. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều môi

trường độc hại, có phóng xạ và các môi trường làm việc có nhiệt độ cao.v.v…
có thể gây nguy hiểm đối với sức khỏe con người. Nhưng robot có thể làm

việc tốt trong các môi trường này. Đây là một ưu điểm mà chúng ta cần quan
tâm nhất để robot ngày càng phục vụ tốt hơn cho con người.


21
Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả
năng của con người, do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng
cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc
và độc hại.
- Nhược điểm
+ Vốn đầu tư ban đầu lớn.
+ Người lập trình, khai thác sử dụng đòi hỏi phải có một trình độ nhất

định.
+ Độ linh hoạt chưa cao. Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh

hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có
thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt
động dưới sự giám sát của con người.
Phạm vi ứng dụng
Nhờ có những ưu điểm nổi trội như đã trình bày ở trên nên robot nói chung và
robot công nghiệp nói riêng ngày càng được ứng dụng rộng rãi và hiểu quả
trong tất cả các lĩnh vực hoạt động sản xuất cũng như trong cuộc sống thường
ngày nhằm phục vụ cho con người.
- Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, gia
công áp lực, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận
chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm.v.v…
Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC
với robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ
linh hoạt cao, tự động hoàn toàn không có sự tham gia trực tiếp của con

người, rất linh hoạt và không đòi hỏi đầu tư lớn. Ở đây các máy và robot được
điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình (ứng dụng PLC vào lập trình
điều khiển cho cả hệ thống).


22
- Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong
việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc
phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh
vực xã hội (robot cảnh sát giao thông ở Hàn Quốc).v.v…
1.3.4 Một số hình ảnh về robot và ứng dụng của nó:

Hình 1.4: Cánh tay robot 6 bậc tự do

Hình 1.6: Robot phay sản phẩm

Hình 1.5: Robot hàn điểm

Hình 1.7: Robot cắt laze