Nghiên cứu thiết kế đồ gá kết nối ngoài nâng cao khả năng công nghệ cho robot hàn

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

ĐINH VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỒ GÁ KẾT NỐI NGỒI NÂNG CAO
KHẢ NĂNG CƠNG NGHỆ CHO ROBOT HÀN

Cơ Điện Tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ

KHOÁ 2017A
Hà Nội – 2019


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

ĐINH VĂN KIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỒ GÁ KẾT NỐI NGỒI NÂNG CAO KHẢ
NĂNG CƠNG NGHỆ CHO ROBOT HÀN
Chun ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN HỒNG THÁI

Hà Nội – 2019


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Đinh Văn Kiên
Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế đồ gá quay kết nối ngồi nâng cao khả
năng cơng nghệ cho Rôbốt hàn
Chuyên ngành:
Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số SV:
CA170267

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 25/05/2019
với các nội dung sau:
1.Ý kiến hội đồng: Sửa lại đầy đủ và chính xác tên đề tài luận văn theo quyết
định giao đề tài.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã sửa tên đề tài đúng với tên trong quyết định
giao đề tài.
2. Ý kiến hội đồng: sửa lại nội dung về “Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của
luận văn” trong phần “Mở đầu” để làm nội bật nội dung khoa học của luận
văn.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã sửa nội dung này ở trang 2 phần mở đầu

của luận văn.
3. Ý kiến hội đồng: viết lại mục 1.1(trang 3) khi nói về tổng quan của Robot.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã sửa nội dung này ở trang 3, của luận văn.
4. Ý kiến hội đồng: sửa lại tên đề mục chương 2(trang 16).
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã sửa nội dung này ở trang 16 của luận văn.
5. Ý kiến hội đồng: thay từ “Module” bằng từ “Môđun” ở chương 2, 3.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã kiểm tra và thay từ “Module” bằng từ
“Mơđun” trong ln văn để chính xác hơn về mặt thuật ngữ.
6. Ý kiến hội đồng: thay từ “Robot” bằng từ “Rơbốt” trong tồn bộ nội dung
của luận văn.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: đã kiểm tra và thay từ “Robot” bằng từ
“Rôbốt” trong luân văn để chính xác hơn về mặt thuật ngữ.
7. Ý kiến hội đồng: bổ sung trích dẫn cơng thức chương 2, 3.


* Tác giả luận văn chỉnh sửa: luận văn bổ sung trích dẫn cơng thức theo ý
kiến của hội đồng.
8. Ý kiến hội đồng: loại bỏ các danh mục website trong phần tham khảo.
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: luận văn đã lược bỏ các danh mục website
tham khảo theo ý kiến của hội đồng.
9. Ý kiến hội đồng: sữa lại một số lỗi chính tả và chế bản ở trang 11, 12, 26,
28, 30, 31…
* Tác giả luận văn chỉnh sửa: Em xin tiếp thu ý kiến và đã chỉnh sửa các
lỗi chế bản.
Hà Nội, Ngày 17 tháng 06 năm 2019.
Giáo viên hướng dẫn

TS. NGUYỄN HỒNG THÁI

Tác giả luận văn

ĐINH VĂN KIÊN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS.TS. PHẠM HỒNG PHÚC


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các nội dung được trình bày trong luận văn này là kết quả nghiên
cứu của bản thân tơi, khơng có sự sao chép hay copy nội dung nghiên cứu của bất
cứ tác giả nào. Tôi xin tự chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày 20/04/2019
Tác giả luận văn

ĐINH VĂN KIÊN


LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển của xã hội, đỏi hỏi các ngành kĩ thuật công nghiệp phải phát
triển mạnh hơn nữa trong việc nghiên cứu và chế tạo ra các thiết bị chấp hành thông
minh, đa năng. Đáp ứng yêu cầu thực hiện các công việc phức tạp nhằm nâng cao
năng suất, nâng cao chất lượng sản phẩm, giải phóng sức lao động của con người.
Trong đó được đặt lên hàng đầu là việc áp dụng Rôbốt vào trong các ngành công
nghiệp sản xuất, chế tạo. Nhận thấy ở Việt Nam lĩnh vực này đang được đẩy mạnh,
bằng chứng là hàng loạt các tập đồn, cơng ty lớn đã đầu tư rất nhiều cho lĩnh vực
này như Samsung Electronic Việt Nam, Samsung Display Việt Nam, LG Display
Việt Nam, Canon Việt Nam, Honda, VINFAST đều thay thế Rôbốt để thực hiện các
thao tác làm việc của con người, thậm chí cịn thực hiện được cả nhưng cơng việc
mà con người khó có thể làm được.

Đặc biệt là trong ngành cơng nghệ hàn, với việc phải thực hiện các biên dạng
hàn phức tạp Rôbốt giúp cho tốc độ hàn tăng cao, chất lượng đường hàn được giám
sát, đường hàn đều, độ tin cậy cao, thợ hàn tránh được các tai nạn, bệnh nghề
nghiệp trong q trình thực hiện mối hàn. Ngồi ra, trong q trình hàn Rơbốt cịn
được tích hợp thêm đồ gá hàn. Đồ gá hàn giúp cho Rôbốt hoạt động được linh hoạt
hơn, hàn được những vị trí khó.
Qua thực tế tìm hiều thì các mơđun đồ gá hàn tự động nâng cao khả năng công
nghệ Rôbốt hàn được sử dụng nhiều nhất là của các hãng chế tạo Rôbốt nổi tiếng
như như OTC DAIHEN,YASKAWA, KUKA, Panasonic, ABB, YASKAWA,
KUKA, NACHI, MITSUBISHI... Tơi đã có cơ hội tiếp xúc và trực tiếp lập trình,
điều khiển cho Rơbốt của một số hãng trong đó (ABB, NACHI, YASKAWA),
chính vì thế nhận thấy được các thiếu sót cũng như những hạn chế mà các thiết bị
Rơbốt gặp phải đó là bị giới hạn không gian làm việc, giới hạn trọng việc thực hiện
các chuyển động có biên dạng phức tạp do kết cấu cơ khí khơng thể đáp ứng được.
Thay vì việc bỏ ra chi phí lớn để thay thế bằng các Rơbốt nhiều bậc tự do có khơng
gian làm việc lớn và thực hiện được các chuyển động phức tạp thì có thể sử dụng
các thiết bị đồ gá với giá thành thấp hơn mà vẫn đáp ứng được yêu cầu công nghệ.


Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều hãng sản xuất đồ gá hàn với nhiều chủng
loại khác nhau như đồ gá hàn một bậc tự do tịnh tiến, đồ gá hàn một bậc tự do quay,
đồ gá hàn hai bậc tự do quay quay, đồ gá hàn hai bậc tự do tịnh tiến quay. Các thiết
bị đồ gá này có khả năng đồng bộ chuyển động với Rơbốt, khắc phục được các hạn
chế mà Rôbốt gặp phải. Ở nước ta cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu, chế
tạo thử nghiệm đồ gá hàn nhưng chưa thật sự rộng dãi. Hầu hết chỉ tập chung
nghiên cứu cho các đồ gá 1 bậc tự do để giải quyết được việc mở rộng phạm vi
không gian làm việc, việc nghiên cứu các đồ gá nhiều bậc tự do giải quyết vấn đề
biên dạng quỹ đạo chuyển động chưa được quan tâm.
Từ những phân tích trên tơi nhận thấy lĩnh vực này còn nhiều hướng phát triển,
do vậy xin được chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế đồ gá quay kết nối ngồi nâng

cao khả năng cơng nghệ cho Rơbốt hàn” để thực hiện nội dung nghiên cứu của
luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường đại học bách khoa Hà Nội, đặc
biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Hồng Thái đã tận tình hướng
dẫn em để hồn thành nội dung luận văn.


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT.......................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................................... x
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. xiii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1
I. Đặt vấn đề .............................................................................................................1
II. Mục đích nghiên cứu của luận văn ......................................................................1
III. Phạm vi nghiên cứu của luận văn .......................................................................1
IV. Ý nghĩa khoa học của luận văn ...........................................................................2
V. Nội dung của luận văn .........................................................................................2
Chương 1 -TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU ĐỒ GÁ CHO RƠBỐT HÀN ..................................3
1.1 Giới thiệu các hệ thống rơbốt hàn .....................................................................3
1.1.1 Tìm hiều về cơng nghệ hàn .........................................................................3
1.1.2 Rơbốt hàn thơng thường.............................................................................4
1.1.3 Rơbốt hàn trong ngành đóng tàu ................................................................6
1.2.4 Rơbốt hàn trong ngành sản xuất ơtơ ..........................................................6
1.2 Vai trị của đồ gá mở rộng khả năng hoạt động rôbốt ......................................7
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .......................................................8
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước ...............................................................8
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ...............................................................9
1.4 Các môđun đồ gá mở rộng khả năng hoạt động của rôbốt hàn .....................12
1.4.1 Môđun một bậc tự do ...............................................................................12

1.4.2 Môđun quay một bậc tự do ......................................................................13
1.4.3 Môđun 2 bậc tự do ....................................................................................14
1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................15
Chương 2 -ĐỘNG HỌC HỆ RÔBỐT HÀN VÀ ĐỒ GÁ ..................................................16
2.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................16

-i-


2.2 Thiết lập phương trình động học cho rơbốt và môđun quay ..........................16
2.2.1 Phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg (D-H) ..................................16
2.2.2 Thiết lập phương trình động học cho Rơbốt.............................................18
2.2.3 Thiết lập phương trình động học cho mơđun quay ..................................30
2.3 Thuật tốn điều khiển ......................................................................................34
2.3.1 Phân tích thuật tốn điều khiển ................................................................34
2.3.2 Điều kiện với ..............................................................................................35
2.3.3 So sánh vị trí và hướng tiếp cận mỏ hàn với miền làm việc của Rôbốt ....41
2.3.4 Điều kiện va chạm .....................................................................................44
2.3.5 Sơ đồ thuật toán điều khiển......................................................................46
2.4 Giao diện phần mềm và các chức năng ...........................................................48
2.4.1 Cài đặt vị trí đặt Rơbốt và môđun quay ....................................................48
2.4.2 Cài đặt hướng tiếp cận ..............................................................................48
2.4.3 Nhập dữ liệu ..............................................................................................49
2.4.4 Các thao tác điều khiển .............................................................................49
2.4.5 Chức năng hiển thị ....................................................................................50
2.5 Ví dụ áp dụng ...................................................................................................50
2.6 Kết luận chương 2 ............................................................................................52
Chương 3 -TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠĐUN QUAY HAI BẬC TỰ DO ............................53
3.1 Thông số kỹ thuật của mơđun quay ................................................................53
3.2 Tính tốn chọn động cơ và hộp giảm tốc ........................................................54

3.2.1 Tính mơmen và lực hãm tại các khớp quay ..............................................54
3.2.2 Tính chọn hộp giảm tốc .............................................................................56
3.2.3 Tính chọn động cơ .....................................................................................58
3.3 Tính tốn thiết kế mơđun quay ở mâm cặp ....................................................59
3.3.1 Tính chọn trục ............................................................................................59
3.3.2 Tính chọn ổ lăn ..........................................................................................67
3.3.3 Tính chọn khớp nối và then .......................................................................69

- ii -


3.4 Tính tốn thiết kế mơđun quay ở trục ngang ..................................................70
3.4.1 Tính chọn trục ............................................................................................70
3.4.2 Tính chọn ổ ................................................................................................76
3.4.3 Tính chọn khớp nối ....................................................................................77
3.5 Kết luận chương 3 ............................................................................................78
Chương 4 -ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP ĐỒ GÁ VÀ RƠBỐT NHẰM NÂNG CAO KHẢ NĂNG
CƠNG NGHỆ TRONG Q TRÌNH HÀN ......................................................................79
4.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển của Rôbốt hãng ABB ........................................79
4.1.1 Chế độ hoạt động của Rôbốt.....................................................................79
4.1.2 Bộ điều khiển Rôbốt ..................................................................................80
4.2 Cấu trúc của bộ điều khiển môđun đồ gá hàn tự động...................................82
4.2.1 Sử dụng một vi điều khiển ........................................................................82
4.2.2 Sử dụng bộ điều khiển servo chuyên biệt trong công nghiệp ..................83
4.3 Giới thiệu CPU điều khiển Q173D(S)CPU/Q172D(S)CPU.................................85
4.3.1 Thiết bị CPU điều khiển chuyển động cho môđun đồ gá ..........................85
4.3.2 Quy trình thiết kế hệ thống .......................................................................88
4.4 Ngơn ngữ lập trình SFC và phần mềm MT WORK ...........................................89
4.5 Kết luận chương 4 ............................................................................................92
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................................93

I. Các kết quả của luận văn ....................................................................................93
II. Những đề xuất tiếp theo....................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................94
PHỤ LỤC ....................................................................................................................96

- iii -


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

i
di
ai

i
px,py,pz

Nội dung, ý nghĩa
: góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục x’i (x’i//
xi).
: dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gôc tọa độ Oi-1
chuyển đến O’i giao điểm của trục xi và trục zi-1.
: dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục xi để điểm O’i chuyển đến
điểm Oi.
: góc quay quanh trục xi sao cho trục z’i-1 (z’i-1// zi-1) chuyển đến
trục zi.
: tọa độ điểm cuối P trong hệ quy chiếu cố định (Oxyz)0

rC

: vectơ định vị của điểm C trong hệ qui chiếu cố định

rP

: vectơ định vị của điểm P trong hệ qui chiếu cố định

k6

: vectơ đơn vị của trục z6 trong hệ qui chiếu (Oxyz)0

θ1

: là biến khớp khâu 1 Rôbốt

θ2

: là biến khớp khâu 2 Rôbốt

θ3

: là biến khớp khâu 3 Rôbốt

θ4

: là biến khớp khâu 4 Rôbốt

θ5

: là biến khớp khâu 5 Rôbốt

θ6

: là biến khớp khâu 6 Rôbốt

θ7

: là biến khớp khâu 1 môđun quay

θ8

: là biến khớp khâu 2 mơđun quay

i

: vận tốc góc khâu thứ i

0

r ci

: tọa độ trong tâm của khâu thứ i trong hệ qui chiếu O0.

0

v ci

: vận tốc dài khâu thứ i

td

: hướng tiếp cận của mỏ hàn

- iv -


i(Oixiyizi)

: Hệ quy chiếu Oixiyizi

ci

: cos(θi)

si

: sin(θi)

T

: động năng của Rôbốt.

Π

: thế năng của Rôbốt.

Qi *

: lực suy rộng không thế

mi

: khối lượng khâu i

1

: là miền làm việc của Rôbốt.

Rp max

R p min

Rc max
2

0 O0 x0 y0 z0 

: là giới hạn miền bao ngoài của điểm tác động cuối P của
Rôbốt.
: là giới hạn miền bao trong của điểm tác động cuối P của
Rôbốt.
: là giới hạn miền bao ngồi của điểm cổ tay C của Rơbốt.
: là miền làm việc của môđun quay.
: gốc chuẩn “O” của Rôbốt.

d 0 Od 0 xd 0 yd 0 zd 0  : gốc chuẩn “O” của môđun quay.
L
0

: là vector hướng tại điểm mà đầu hàn phải định hướng trong hệ

td

0

p

p

td

p

: là khoảng cách giữa gốc của Rôbốt và gốc của môđun hàn.
qui chiếu 0 .
: là vector định vị điểm hàn trong hệ qui chiếu 0 .
: là vector hướng tại điểm mà đầu hàn phải định hướng trong hệ

p

O0Od' 0 =0 zOd

Lmax

Lmin

qui chiếu phôi.
: là vector định vị điểm hàn trong hệ qui chiếu phôi.
: tọa độ của gốc Od0 trong hệ qui chiếu O0
: khoảng cách từ gốc Od2 tới gốc O0 khi giới hạn miền bao trong
của đồ gá tiếp xúc với giới hạn miền bao ngoài

: khoảng cách từ gốc Od2 tới gốc O0 khi giới hạn ngoài của đồ
gá tiếp xúc với giới hạn trong

-v-


m1

: Khả năng tải lớn nhất

h

: Chiều cao khối tâm vật hàn lớn nhất

n1

: Tốc độ quay của mâm cặp

n2

: Tốc độ quay nghiêng của mâm cặp

D

: Đường kính mâm cặp

h

: chiều cao lớn nhất của khối tâm vật hàn

B

: độ dày của mâm cặp

T1

: mômen quay trục nằm ngang

l1

: Khoảng cách từ tâm trục ngang tới trục quay mâm cặp

l2

: Khoảng cách từ tâm trục ngang tới trọng tâm hộp giảm tốc

l3

: Khoảng cách từ tâm trục ngang tới trọng tâm động cơ

P1

: Trọng lực của vật hàn

P2

: Trọng lực của mâm cặp

P3

: Trọng lực của hộp giảm tốc trục quay mâm cặp

P4

: Trọng lực của động cơ trục quay mâm cặp

m

: khối lượng trục quay mâm cặp

g

: gia tốc trọng trường

l4

: Khoảng cách từ tâm trục ngang tới trọng tâm hộp giảm tốc

M1

: Mômen quay của động cơ trục quay ngang

ω1

: tốc độ góc của động cơ trục quay ngang

η

: Hiệu suất chung

P1yc

: công suất yêu cầu của động cơ trục quay ngang

P1ct

: công suất cần thiết của động cơ trục quay ngang

u1

: tỷ số truyền hộp giảm tốc

n1

: số vòng quay của động cơ

nsb1

: số vòng quay sơ bộ

M đc1

: Mômen trên trục quay của động cơ trục quay ngang

P2yc

: công suất yêu cầu của động cơ trục quay mâm cặp

- vi -

M2

: Mômen quay của động cơ trục quay mâm cặp

ω2

: tốc độ góc của động cơ trục quay mâm cặp

P2ct

: công suất cần thiết của động cơ trục quay mâm cặp

u2

: tỷ số truyền hộp giảm tốc

M đc2

: Mômen trên trục quay của động cơ trục quay mâm cặp

σb

: Giới hạn bền

[σ]

: Ứng suất cho phép

[τ]

: Ứng suất xoắn cho phép

d sb

: đường kính trục sơ bộ

T

: Mơmen xoắn trên trục

 

: ứng suất xoắn cho phép

h

: chiều cao lớn nhất của khối tâm vật hàn

B

: độ dày của mâm cặp

lm

: Chiều dài mayơ nửa khớp nối

b0

: Chiều rộng ổ lăn

k3

: Khoảng cách từ mặt mút của chi tiết quay đến nắp ổ

h3

: Chiều cao nắp ổ và đầu bulong

d sb

: đường kính trục sơ bộ

F1x

: lực tác dụng lên ổ lăn 1

F2x

: lực tác dụng lên ổ lăn 2

T

: mômen xoắn tác dụng lên trục

T1

: mômen xoắn tác dụng lên trục

Mx

: mômen uốn tác dụng lên phương X trục quay mâm cặp

My

: mômen uốn tác dụng lên phương Y trục quay mâm cặp

d2

: đường kính đoạn trục hai

[s]

: hệ số an toàn cho phép

σ-1

: giới hạn mỏi uốn với chu kỳ đối xứng

- vii -


τ-1

: giới hạn xoắn ứng với chu kỳ đối xứng

σa2

: biên độ ứng suất uốn tại tiết diện đoạn trục 2

τa2

: biên độ ứng suất xoắn tại tiết diện đoạn trục 2

σm2

: giá trị trung bình của ứng suất uốn tại tiết diện đoạn trục 2

τm2

: giá trị trung bình của ứng suất xoắn tại tiết diện đoạn trục 2

ψσ
ψσ

: trị số của các hệ số kể đến ảnh hưởng của ứng suất uốn trung
bình đến độ bền mỏi.
: trị số của các hệ số kể đến ảnh hưởng của ứng suất xoắn trung
bình đến độ bền mỏi.

Kσd2

: là hệ số uốn

Kτd2

:

là hệ số xoắn

 max2

: ứng xuất uốn tới hạn

 max2

: ứng xuất uốn tới hạn

Q

: tải trọng động quy ước

V

: hệ số kể đến vòng nào quay

kt

: hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ

kđ

: hệ số kể đến đặc tính tải trọng

X

: hệ số tải trọng hướng tâm

Y

: hệ số tải trọng dọc trục

L

: tuổi thọ làm việc của ổ

n

: tốc độ quay

m

: bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn.

Cd

: khả năng tải của ổ lăn

lt

: Chiều dài then

b

: Chiều rộng then

h

: Chiều cao then

t1

: Chiều sâu rãnh then trên trục

t2

: Chiều sâu rãnh then trên lỗ

- viii -


[σd]

: ứng suất dập cho phép

σd

: ứng suất dập

T

: ứng suất cắt

[τc]

: ứng suất cắt cho phép

F1x

: lực tác dụng lên ổ lăn 1

F2x

: lực tác dụng lên ổ lăn 2

a

: Khoảng cách giữa 2 vị trí nối trục

l4

: Khoảng cách từ mỗi ổ tới điểm đặt lực

B

: độ dày của khung đỡ trục

B1

: độ dày của mặt bích ổ lăn

M1x

: mômen uốn tác dụng lên phương X trục quay ngang

M1y

: mômen uốn tác dụng lên phương Y trục quay ngang

M1tđ

: mômen uốn tác dụng lên đoạn trục 2

M1x

: mômen uốn tác dụng lên phương X trục quay ngang

M2x

: mômen uốn tác dụng lên phương X đoạn 2 trục quay ngang

M2y

: mômen uốn tác dụng lên phương Y đoạn 2 trục quay ngang

M 2tđ

: mômen uốn tác dụng lên đoạn trục 2

σ-1

: giới hạn mỏi uốn

τ-1

: giới hạn xoắn

σb

: giới hạn bền

- ix -


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Nội dung

Trang

Hình 1.1 Rơbốt hàn cơng nghiệp ABB

4

Hình 1.2 Ứng dụng cơng nghệ Rơbốt hàn để hàn chi tiết máy

5

Hình 1.3 Hệ thống Rơbốt hàn tàu treo ngược

6

Hình 1.4 Rơbốt hàn ABB tại nhà máy sản xuất oto VINFAST

7

Hình 1.5 Kết cấu các bộ truyền động đồ gá hàn cắt thép ống

10

Hình 1.6 Đồ thị dịng, điện áp hàn theo góc tâm φ

11

Hình 1.7 Đồ vận tốc hàn theo góc tâm φ

11

Hình 1.8 Mơđun trượt một bậc tự do KL 4000 KUKA

12

Hình 1.9 Đồ gá 1 trục quay AII-1PB của hãng OTC DAIHEN

13

Hình 1.10 Đồ gá 2 trục của hãng YASKAWA MT1 250

14

Hình 2.1 Tham số D-H

16

Hình 2.2 Các hệ tọa độ giữa hai khâu động liên tiếp

17

Hình 2.3 Hệ qui chiếu theo qui ước D-H cho Rơbốt hàn

18

Hình 2.4 Hình chiếu cánh tay Rơbốt xuống mặt phẳng (x0,y0)

22

Hình 2.5 Hình chiếu cánh tay Rơbốt xuống mặt phẳng (x1,y1)

23

Hình 2.6 Hệ qui chiếu theo qui ước D-H cho môđun quay 2 bậc tự do

30

Hình 2.7 Hệ qui chiếu gắn với quỹ đạo hàn

31

Hình 2.8 Hệ tọa độ kết hợp Rơbốt và đồ gá

32

Hình 2.9 Vị trí 0 của các trục Rơbốt

36

Hình 2.10 Giới hạn làm việc của điểm C (nhìn theo phương trục 2)

37

Hình 2.11 Giới hạn làm việc của điểm tác động cuối P

38

Hình 2.12 Vị trí 0 của các trục mơđun quay

39

Hình 2.13 Miền giới hạn cho một điểm trên vật hàn

40

Hình 2.14 Miền làm việc của mơđun quay cho tập hợp các điểm hàn

40

Hình 2.15 Điều kiện với của Rơbốt

40

Hình 2.16 So sánh vị trí điểm P

42

-x-


Hình 2.17 So sánh hướng 0 t d

43

Hình 2.18 Cửa sổ cài đặt vị trí Rơbốt và mơđun quay

48

Hình 2.19 Cài đặt hướng tiếp cận của mỏ hàn trong hệ qui chiếu chung

48

Hình 2.20 Cửa sổ nhập File dữ liệu

49

Hình 2.21 Các thao tác điều khiển

50

Hình 2.22 Hướng tiếp cận khi hàn xoắn

50

Hình 2.23 Thơng số cài đặt cho mơđun quay khi hàn xoắn

51

Hình 2.24 Mơ phỏng q trình hàn theo đường cong xoắn

51

Hình 2.25 Đồ thị các biến khớp khi đường hàn dạng xoắn

52

Hình 3.1 Mơ hình của mơđun đồ gá hàn hai bậc tự do

53

Hình 3.2 Sơ đồ kích thước để tính chọn động cơ

54

Hình 3.3 Sơ đồ xác định mơmen trục quay mâm cặp

56

Hình 3.4 Sơ đồ tính khoảng cách các đoạn trục

60

Hình 3.5 Sơ đồ lực tương đương

61

Hình 3.6 Sơ đồ lực và mơmen tác dụng lên trục

62

Hình 3.7 Biểu đồ lực và mơmen tác dụng lên trục quay mâm cặp

63

Hình 3.8 Lực tác dụng lên ổ đũa cơn

68

Hình 3.9 Sơ đồ khoảng cách các đoạn trục ngang

71

Hình 3.10 Sơ đồ lực, mơmen tác dụng lên trục quay ngang

73

Hình 3.11 Biểu đồ lực, mơmen của trục quay ngang

74

Hình 3.12 Sơ đồ tải trọng tác dụng lên ổ

76

Hình 4.1 Cấu tạo của thiết bị teaching pendant

79

Hình 4.2 Cấu trúc của bộ điều khiển Rơbốt

81

Hình 4.3 Bộ vi điều khiển cho mơđun đồ gá

82

Hình 4.4 Bộ điều khiển servo chuyên dụng

83

Hình 4.5 Thiết bị CPU điều khiển chuyển động cho mơđun đồ gá

85

Hình 4.6 Giao diện lập trình MT Develop 2

89

Hình 4.7 Tạo biến giá trị trong MT Develop 2

90

- xi -


Hình 4.8 Giao diện servo data setting trong MT Develop 2

91

Hình 4.9 Giao diện viết chương trình SFC trong MT Develop 2

91

Hình phụ lục 1 Nội suy quỹ đạo đường hàn ống nối chữ T

96

- xii -


DANH MỤC CÁC BẢNG

Nội dung

Trang

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của môđun trượt một bậc tự do KL4000

13

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của đồ gá 1 trục quay AII-1PB

14

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của YASKAWA MT250

15

Bảng 2.1 Bộ thông số D-H của Rôbốt hàn

19

Bảng 2.2 Bộ thông số D-H của môđun quay

30

Bảng 2.3 Giới hạn các trục quay của Rôbốt

36

Bảng 2.4 Giới hạn các trục quay của môđun quay

39

Bảng 3.1 Thơng số kích thước để tính chọn động cơ và hộp giảm tốc

55

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của ổ đũa

69

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của ổ bi

77

Bảng 4.1 Cấu tạo bộ điều khiển môđun đồ gá

86

Bảng phụ lục 1 Tọa độ các điểm lấy mẫu khi hàn đường xoắn ốc

97

Bảng phụ lục 2 Dữ liệu điểm quỹ đạo hàn

97

- xiii -


MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề
Trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa, Rơbốt được sử dụng rộng rãi
trong các ngành công nghiệp, nhằm nâng cao năng suất, nâng cao chất lượng sản
phẩm, cải thiện điều kiện lao động. Trong ngành công nghệ hàn, việc áp dụng
Rôbốt giúp cho năng suất hàn tăng cao, mối hàn đẹp hơn, chất lượng đường hàn
được kiểm soát, điều khiển dễ dàng hơn, thợ hàn tránh tác hại của hàn.
Về mặt lý thuyết thì Rơbốt hàn 6 bậc tự do có thể hàn được mọi vị trí trong
miền làm việc của nó. Tuy nhiên, trong thực tế có một số vị trí của biên dạng hàn ở
vị trí ngồi vùng làm việc của Rơbốt dẫn đến tốc độ hàn thấp thậm chỉ không thể
thực hiện hồn thành quy trình hàn, chất lượng đường hàn khơng được đảm bảo, tốn
nhiều thời gian. Vì thế, ta cần thêm một đồ gá hàn để đưa các vị trí khó về vị trí lý
tưởng, thuận tiện cho Rơbốt hàn. Việc kết hợp Rôbốt với đồ gá hàn sẽ giúp tăng khả
năng công nghệ của Rôbốt, giúp tăng năng suất của quá trình hàn.
Trên cơ sở các nghiên cứu khoa học về đồ gá mở rộng khả năng công nghệ cho
Rôbốt cũng như sự định hướng của người hướng dẫn TS. Nguyễn Hồng Thái, em
chọn đề tài:” Nghiên cứu thiết kế đồ gá quay kết nối ngoài nâng cao khả năng
cơng nghệ cho Rơbốt hàn” để tính tồn thiết kế, nghiên cứu sâu hơn về đồ gá.

II. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Với ý nghĩa thực tiễn và ứng dụng cao của đồ gá hàn hai bậc tự do, mục đích
nghiên cứu của đề tài là:
i) Xây dựng được thuật tốn điều khiển phối hợp giữa Rơbốt hàn và đồ gá hàn.

ii) Nghiên cứu thiết kế kết cấu mơđun hàn hai bậc tự do.
iii) Lập trình điều khiển đồ gá hàn.
vi) Xây dựng bộ bản vẽ thiết kế đồ gá hoàn chỉnh

III. Phạm vi nghiên cứu của luận văn
+ Đề xuất các nguyên lý của môđun quay hai bậc tự do phục vụ thiết kế.
+ Mơ hình hóa bài toán động học đồ gá quay hai bậc tự để có dữ liệu thiết kế.
+ Tính tốn kết cấu.

1


+ Xây dựng bộ bản vẽ thiết kế một môđun hoàn chỉnh.

IV. Ý nghĩa khoa học của luận văn
Việc nghiên cứu thiết kế kết cấu cho đồ gá với hai bậc từ do làm tài liệu tham
khảo cho các nghiên cứu trong lĩnh vực đồ gá Rôbốt. Xây dựng được thuật tốn
điều khiển, trong đó có sử dụng phương pháp đồng bộ chuyển động giữa Rôbốt và
đồ gá.

V. Nội dung của luận văn
Luận văn được trình bày 93 trang và 24 trang phụ lục bao gồm (tập bản vẽ, các
kết quả tính tốn, mã code chương trình). Và cụ thể thì nội dung của luận văn bao
gồm các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về cơ cấu đồ gá cho rơbốt hàn
Chương này trình bày tổng quan về các mơđun quay hai bậc tự do, ưu nhược
điểm của môđun quay công nghiệp, các ứng dụng của môđun quay trong công
nghiệp đăc biệt là trong lĩnh vực cơng nghệ hàn. Ngồi ra còn đề cập đến các
nghiên cứu ở trong và ngồi nước.
Chương 2: Động học trong hệ Rơbốt hàn và đồ gá

Chương này trình bày nội dung thiết lập phương trình động học cho Rơbốt và
mơđun quay. Trên cơ sở tính tốn đó xây dựng thuật tốn điều khiển và tiến hành
mơ phỏng trên phần mềm.
Chương 3: Tính tốn thiết kế môđun quay hai bậc tự do phục vụ Rôbốt hàn
Chương này trình bày các nội dung tính tốn thiết kế mơđun quay. Trên cơ sở
đó đưa ra bản vẽ thiết kế và mơ phỏng hình học trên phần mềm.
Chương 4: Điều khiển tích hợp đồ gá và Rơbốt nhằm nâng cao khả năng cơng nghệ
trong q trình hàn
Trong chương này trình bày cấu trúc điều khiển của mơđun đồ gá hàn tự động.
Trên cơ sở đó lựa chọn bộ điều khiển chuyển động Q173D làm bộ điều khiển hoạt
động cho đồ gá hàn, tiến hành lập trình chương trình điều khiển.

2


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU ĐỒ GÁ CHO RÔBỐT HÀN
1.1 Giới thiệu hệ thống rơbốt hàn
1.1.1 Tìm hiều về cơng nghệ hàn
Trong cơng nghệ chế tạo cơ khí, hàn là danh từ chỉ một quá trình dùng để liên
kết các chi tiết (kết cấu) hoặc đắp phủ lên bề mặt vật liệu (kim loại hoặc phi kim) để
tạo nên một lớp bề mặt có tính năng đáp ứng u cầu sử dụng.
Hàn là q trình cơng nghệ để nối các chi tiết với nhau thành liên kết không
tháo rời được mang tính liên tục ở phạm vi nguyên tử hoặc phân tử, bằng cách đưa
chỗ nối tới trạng thái nóng chảy, thơng qua việc sử dụng một trong hai yếu tố là
nhiệt và áp lực, hoặc kết hợp cả hai yếu tố đó. Khi hàn, có thể sử dụng hoặc không
sử dụng vật liệu phụ bổ sung.
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 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 q trình cơng nghệ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo và phục hồi
các kết cấu và chi tiết.
+ Tính ưu việt bao gồm: Tiêu tốn ít kim loại, giảm chi phí lao động, được gắn
kết thiết bị, rút ngắn thời gian sản xuất
Nhược điểm:
+ Trong quá trình hàn xảy ra q trình oxi hố một số ngun tố, sự hấp thụ
và hịa tan các chất khí của bể kim loại cũng như những thay đổi của vùng

3


nhiệt ảnh hưởng nhiệt. Kết quả thành phần và cấu trúc của mối hàn khác với
kim loại.
+ Các biến dạng của kết cấu hàn gây bởi ứng suất dư có thể làm sai lệch kích
thước và hình dáng của nó và ảnh hưởng tới độ bền của mối ghép.

1.1.2 Rôbốt hàn thông thường
Đối với ngành hàn việc ứng dụng Rôbốt sẽ giúp nâng cao năng suất, độ chính
xác và độ tin cậy của mối hàn. Việc lặp đi lặp lại các chuyển động theo biên dạng
cố định sẽ được thực hiện mà khơng có sự khác biệt giữa các thiết bị thơng qua việc
đồng bộ phần cứng và chương trình điều khiển. Với sự đồng bộ giữa chương trình
Rơbốt và bộ điều khiển đồ gá mở rộng đó, Rơbốt sẽ tạo ra những mối hàn với quỹ
đạo chuyển động y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách.

Hình 1.1 Rơbốt hàn cơng nghiệp ABB

Trên các Rơbốt sẽ được gắn đầu hàn theo phương pháp hàn TIG/MIG. Trong
đó que hàn và vật liệu phụ trên một Rơbốt cùng chịu trách nhiệm đưa dịng điện để
hồ quang, hồn thành mối hàn, làm cho chúng thành các thiết bị hoàn chỉnh trong
toàn bộ hệ thống.

4


Hình 1.2 Ứng dụng cơng nghệ Rơbốt hàn để hàn chi tiết máy

Để nối các vật hàn, mỗi vật hàn phải được căn chỉnh chính xác và gá chắc chắn
tại chỗ trong quá trình hàn. Một điều quan trọng là cách thiết kế một khung gá các
vật hàn tại vị trí thích hợp. Bộ phận này phải thao tác nhanh và dễ dàng, giữ chắc
các vật hàn cho tới khi chúng dính vào nhau và phải cho phép súng hàn tự do tiếp
cận mối hàn.
Bộ định vị có thể được thiết kế giống như trong hàn bằng tay, hoặc chuyên biệt
để tăng tính linh hoạt và tầm hoạt động của các hệ thống hàn tự động. Độ chính xác
cũng phải cao hơn. Ngồi ra, các điều khiển định vị Rơbốt phải tương thích và tn
thủ theo bộ điều khiển Rơbốt trung tâm để đạt được chuyển động phối hợp tức thì
của nhiều trục trong khi hàn.
Tuy nhiên, thao tác nâng hạ các bộ phận tĩnh của hệ Rôbốt rất tốn thời gian và
có thể phi thực tế. Sẽ hiệu quả hơn nếu có hai hay nhiều khung giữ trên một bộ định
vị vật hàn quay, mặc dù chi phí ban đầu cao hơn.

5