Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của đồ gá quay hai trục dùng cho robot

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

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG
CỦA ĐỒ GÁ QUAY HAI TRỤC DÙNG CHO ROBOT

Chuyên ngành : Chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS Bùi Văn Hạnh

Hà Nội – Năm 2013

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện
hiện đang sử dụng (ngoại trừ tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm theo bản demo,
tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm viết bằng tiếng Anh làm tài liệu tham khảo và
những kiến thức cơ bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được phép sử
dụng).
Nội dung nghiên cứu bao gồm: Thiết kế bộ truyền của đồ gá, lựa chọn
phương án và thiết kế kết cấu cơ khí, thiết lập bản vẽ chi tiết 2D trên phần mềm
Autocad, thiết kế hệ thống điều khiển đồ gá. Mô phỏng hoạt động của đồ gá thông
qua phần mềm Proengineer.
Kết quả giới thiệu trong bản thuyết minh và ghi lại bằng hình ảnh hồn tồn

trung thực.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.

Hà Nội, tháng 0 3 năm 2013
Tác giả

Nguyễn Thanh Phú

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................8
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ HÀN .......................................................13
1.1

Nhiệm vụ của đồ gá hàn ..............................................................................13

1.2

Đặc điểm của đồ gá hàn so với đồ gá gia công cắt gọt................................13

1.3

Các loại đồ gá hàn .......................................................................................14

1.3

Xu hướng thiết kế chế tạo đồ gá hiện nay. ..................................................16

1.4

Đồ gá dùng cho robot hàn............................................................................17

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA ĐỒ GÁ HAI
TRỤC QUAY............................................................................................................18
2.1 Thông số đầu vào và hướng thiết kế đồ gá. ....................................................18
2.2 Tính tốn, lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc cho đồ gá. ................................19
2.2.1 Cơ sở lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc ..................................................19
2.2.2 Tính chọn động cơ và hộp giảm tốc cho trục 2 ........................................20
2.2.3 Tính tốn chọn động cơ và hộp giảm tốc cho trục 1 ................................33
2.3 Tính tốn, thiết kế trục của đồ gá. ...................................................................47
2.3.1 Tính tốn thiết kế trục 2: ...........................................................................47
2.3.2 Tính tốn thiết kế trục 1. ...........................................................................54
2.4 Tính chọn ổ lăn cho các trục của đồ gá. ..........................................................59
2.4.1 Tính chọn ổ lăn cho trục 2 .........................................................................59
2.4.2 Tính chọn ổ lăn cho trục 1 .........................................................................63

3


2.5 Thiết kế các chi tiết của đồ gá. ........................................................................66
2.6 Kết luận về chương 2. .....................................................................................70
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .............................................71
3.1. Yêu cầu điều khiển đồ gá................................................................................71
3.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển ..........................................................................72
3.2.1. Máy tính PC.............................................................................................74

3.2.2. Card điều khiển vị trí PCI-1202U-AE (Master Card) .............................75
3.2.3. Module điều khiển động cơ AMAX-2243/YS2-AE (Slave Card) ...........80
3.2.4. Bo mạch giao tiếp (Interface Board) ........................................................81
3.2.5. Hộp vận hành bằng tay .............................................................................81
3.2.6. Hệ truyền động xoay chiều servo .............................................................81
3.2.8. Ghép nối máy tính PC và card PCI-1202U-AE .......................................83
3.2.9. Ghép nối ADAM-3940 và bộ điều khiển động cơ SGDV .......................83
3.2.10. Ghép nối bảng điều khiển cầm tay (handheld control panel) và bộ điều
khiển PCI-1202U-AE. ........................................................................................84
3.3. Kết cấu lắp tủ điều khiển ................................................................................85
CHƯƠNG 4: .............................................................................................................88
MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỒ GÁ QUAY HAI TRỤC .............................88
4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Proengineer ..................................................88
4.1.1 Giao diện phần mềm Proengineer ............................................................88
4.1.2 Chức năng thiết kế chi tiết .........................................................................89
4.1.3 Chức năng lắp ráp chi tiết..........................................................................90
4.2 Mô phỏng quá trình hoạt động........................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................95

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
T max , T p

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

N dm

Số vòng quay định mức ở đầu ra hộp giảm tốc.

N dm*

Mơmen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

Tm, Tn

Số vòng quay của động cơ

N dc

Số vòng quay trục

V2

Tỷ số truyền của các bộ truyền

U bt

ηbt : Hiệu suất truyền động

ηbt

Tỷ số truyền của hộp giảm tốc

𝑈𝑈ℎ𝑔𝑔𝑔𝑔

Vận tốc điều khiển trục 2:

𝑉𝑉0

Gia tốc góc của bàn quay

∝𝐶𝐶

Mơmen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc.

TA

Mômen xoắn lớn nhất gây ra khi tải trọng đặt lệch tâm quay

TB

Mômen quán tính của vật quay

IR

Khối lượng của chi tiết

P ct

Gia tốc trọng trường

g

Khoảng lệch tâm lớn nhất

a

Vận tốc đầu ra của hộp giảm tốc

𝑉𝑉đ𝑘𝑘

Vận tốc bàn quay đạt được sau q trình tăng tốc

∝ 𝑇𝑇

Gia tốc góc trên trục ra của hộp giảm tốc

T max

Mômen xoắn lớn nhất gây ra bởi mơmen qn tính.

N2

N 1 Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn tăng tốc

N1

Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn giảm tốc

N3

Số vịng quay trung bình ở đầu ra hộp giảm tốc

𝑁𝑁𝑚𝑚
5


T1

Mômen xoắn khi tăng tốc;

T2

Mômen xoắn khi vận tốc không đổi;

T3

Mơmen xoắn khi giảm tốc;
Mơmen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc

𝑇𝑇𝑚𝑚

T MP, T MAX Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục động cơ
T MM ,

Mômen xoắn thực tác dụng lên trục động cơ.

T RT

Mômen xoắn thực tác dụng lên hộp giảm tốc

N IPHGT

Số vòng quay đầu vào của hộp giảm tốc

N dc

Số vòng quay đầu vào của động cơ

T MP

Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục động cơ.

T MA

Mômen xoắn gây ra bởi mơmen qn tính.

T MB

Mơmen xoắn gây ra bởi tải trọng.

T CNLR :

Mômen cản nhớt của hộp giảm tốc

I ML

Mômen qn tính của vật quay

I M1

Mơmen qn tính tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc;

I M2

Mơmen qn tính của hộp giảm tốc

I M3

Momen quán tính của động cơ

C

Hệ số qn tính

T

Mơmen xoắn tác dụng lên trục 1

[τ]

Ứng suất xoắn cho phép

D

Đường kính ngồi của trục

d

Đường kính trong của trục

[S]

Hệ số an toàn cho phép

6

Sτ

Hệ số an toàn khi chỉ xét riêng ứng suất tiếp tại tiết diện C

τ -1 :

Giới hạn mỏi xoắn ứng với chu kỳ đối xứng.

ψτ

Hệ số kể đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến độ bền mỏi.

τa , τm

Biên độ và trị số trung bình của ứng suất tiếp

W0c

Mômen cản xoắn tại C

K τd

Hệ số kể đến ảnh hưởng ứng suất trung bình của độ bền mỏi

KX

Hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt

KY

Hệ số tăng bền bề mặt trục

Kτ

Trị số hệ số tập trung ứng suất thực tế

ετ

Trị số của hệ số kích thước với dạng chịu tải xoắn.

Cd

Khả năng tải động

Q

Q Tải trọng động quy ước

L

L Tuổi thọ tính bằng triệu vịng quay

m

Bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn

7


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đồ gá hàn thủ cơng ............................................................................................... 14
Hình 1.2. Đồ gá quay một trục ứng dụng trong hàn ống .................................................... 15
Hình 1.3. Một số đồ gá hàn tự động .................................................................................... 16
Hình1.4. Đồ gá di trượt dùng cho robot............................................................................... 17
Hình 1.5 Đồ gá quay dùng cho robot ................................................................................... 17
Hình2.1. Mơ hình thiết kế sơ bộ của đồ gá ......................................................................... 18
Hình 2.2. a.Động cơ servo của hãng YASKAWA ............................................................. 19
b. Hộp giảm tốc của hãng KUKEN ..................................................................................... 19
Hình 2.3 Sơ đồ động học của trục 2..................................................................................... 20
Hình 2.4. Chu trình tải trọng ................................................................................................ 21
Hình 2.5. Mơ hình bàn quay ................................................................................................ 23
Hình 2.6. Tải trọng trên trục 2 ............................................................................................. 24
Hình 2.7. Sơ đồ vận tốc và tải trọng theo thời gian trên trục 2........................................... 26
Hình 2.8 Thơng số của hộp giảm tốc NN120F-225 ............................................................ 27
Hình 2.9. Kích thước của hộp giảm tốc NN120F-225 ........................................................ 28
Hình 2.10. Hình dáng hộp giảm tốc NN120F- 225 ............................................................. 28
Hình 2.11. Thơng số cơ bản của động cơ Servo SGMAV-08A .......................................... 32
Hình 2.12. Thơng số kích thước của động cơ Servo SGMAV-08A .................................... 33
Hình 2.13 Thiết kế sơ bộ ụ quay giữa và các thơng số ........................................................ 34
Hình 2.14. Sơ đồ động học của trục 1.................................................................................. 34
Hình 2.15. Vị trí mơmen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc ......................... 37
Hình 2.16. Khối lượng và mơ men qn tính tác dụng lên trục 2. ...................................... 37
Hình 2.18. Sơ đồ vận tốc và tải trọng theo thời gian .......................................................... 39
Hình 2.19. Các thơng số của hộp giảm tốc NN120F- 400 .................................................. 41
Hình 2.20. Thơng số động cơ SGMAV-10A ..................................................................... 45
Hình 2.21. Thơng số kích thước động cơ SGMAV-10A .................................................... 46
Hình2.22. Vị trí tính trục và sơ đồ lực tác dụng lên trục 2 ................................................. 47
Hình 2.23. Sơ đồ tính phản lực tác dụng lên trục 2 ............................................................ 49
Hình 2.24. Biểu dồ momen uốn và xoắn ............................................................................ 51
Hình 2.25. Sơ đồ tính phản lực tác dụng lên trục 1 ............................................................ 54

Hình 2.26. Sơ đồ tính phản lực tác dụng lên trục 1 ............................................................. 56
8


Hình 2.27. Biểu đồ mơmen và kích thước trục 1 ................................................................ 57
Hình 2.29. Sơ đồ bố trí ổ lăn trên trục 1 ............................................................................. 63
Hình 2.30. Thiết kế thân đồ gá............................................................................................. 66
Hình 2.31. Thiết kế ụ quay giữa .......................................................................................... 67
Hình 2.32. Thiết kế bàn quay ............................................................................................... 67
Hình 2.33. Trục số 1 ............................................................................................................ 68
Hình 2.34. Trục số 2 ........................................................................................................... 68
Hình 2.35. Đồ gá hai trục quay đã thiết kế .......................................................................... 69
Hình 3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển thống điều khiển ................................................... 72
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ........................................................................... 73
Hình 3.3. Sơ đồ khối card điều khiển 4 trục PCI-1202U-AE .............................................. 78
Hình 3.4. Các tín hiệu điều khiển của PCI-1202U-AE ........................................................ 79
Hình 3.5. Module điều khiển động cơ ................................................................................. 80
Hình 3.6. Bo mạch giao tiếp ADAM-3940 .......................................................................... 81
Hình 3.7 Sơ đồ ghép nối ADAM-3940 và bộ điều khiển động cơ SGDV .......................... 83
Hình 3.8. Mặt trước tủ điều khiển....................................................................................... 85
Hình 3.9. Mặt phải tủ điều khiển ......................................................................................... 86
Hình 3.10. Mặt trái tủ điều khiển ......................................................................................... 87

9


PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài.
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật xu thế tự động hố q
trình sản xuất trong mọi ngành kinh tế đang diễn ra mạnh mẽ, đó thực sự là nhu cầu

cấp thiết nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đồng thời cải thiện điều
kiện, môi trường lao động cho đội ngũ công nhân.
Đặc biệt đối với những lĩnh vực sản xuất yêu cầu cao về chất lượng sản
phẩm địi hỏi tay nghề của người cơng nhân. Vì thế tự động hố q trình sản xuất
là cần thiết và quan trọng vì điều đó sẽ giải phóng được rất nhiều sức lao động cũng
như những căng thẳng của người thợ trong q trình thực hiện cơng việc đồng thời
nâng cao được chất lượng và hiệu quả trong sản xuất. Do đó trên thực tế ở Việt
Nam hiện nay có nhu cầu rất lớn về các thợ hàn lành nghề và yêu cầu này chưa
được đáp ứng. Vì vậy tại các công ty đã bắt đầu trang bị cho mình các thiết bị tự
động, điển hình là robot hàn.
Song trong thực tế, những kết cấu hàn, hay các mẫu sản phẩm cần đạt được
lại có các vị trí hàn khá phức tạp. Vì vậy yêu cầu của người thiết kế cần phải đưa
những vị trí hàn phức tạp về vị trí hàn đơn giản để dễ dàng thực hiện. Thuận lợi cho
việc lập trình và thiết kế kết cấu hàn, nhằm nâng cao năng suất. Vì vậy đồ gá đóng
vai trị vơ cùng quan trọng.
Tuy nhiên do giá thành khá cao, phải nhập từ nước ngoài, nên những đồ gá
hiện nay được sử dụng hầu hết là các đồ gá cố định, chưa đáp ứng được việc tự
động hóa. Vì vậy trong quá trình thực hiện lập trình và hàn bằng rơ bốt gặp khá
nhiều khó khăn. Việc có một đồ gá quay theo hai trục sẽ làm cho vị trí hàn của kết
cấu sẽ đơn giản hơn, và lập trình hàn trên rơ bốt cũng dễ thực hiện. Dẫn đến năng
suất và chất lượng mối hàn cao hơn.
Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế đồ gá quay hai trục là rất cần thiết sẽ giúp ta
bắt kịp với cơng nghệ này của nước ngồi. Giá thành sản phẩm chế tạo sẽ giảm,
trong khi tính năng hoạt động thì hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Đặc biệt là
khi nền kinh tế của nước ta vẫn còn đang khó khăn. Vì vậy tác giả đã chọn đề tài

10


này để nghiên cứu, thiết kế, và mô phỏng nguyên lý, quá trình hoạt động của đồ gá.

Đây sẽ là kết quả rất cần thiết để đưa vào chế tạo sản phẩm.
Lịch sử nghiên cứu
Sau năm 1990 thì ngành cơng nghiệp của ta bắt đầu đổi mới, một số cơ sở
liên doanh đã nhập ngoại nhiều robot phục vụ cho nhiều công việc như: tháo lắp
dụng cụ cho các trung tâm gia công, lắp ráp các linh kiện điện tử, tháo sản phẩm,
đặc biệt trong hàn và trong phun phủ bề mặt v...v.
Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công
nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp
sản phẩm đặc biệt trong lĩnh vực hàn: robot hàn hồ quang trong dây truyền hàn vỏ
xe ôtô, khung xe máy, rôbốt dùng trong chế tạo và phục hồi chi tiết máy. . .
Tuy nhiên, việc đầu tư các trang thiết bị đi kèm với rơbốt thì cịn nhiều hạn
chế do giá thành các trang thiết bị đều rất cao. Việc cần một đồ gá quay hai trục để
mở rộng phạm vi công nghệ là hết sức cần thiết. Một số đề tài nghiên cứu đã thiết
kế được đồ gá hai trục quay nhưng kết quả vẫn chỉ là những đồ gá đơn giản điều
khiển trực tiếp động cơ mà khơng kết nối với được robot.
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
Mục đích nghiên cứu của luận văn:
+ Thiết kế kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển và mơ phỏng hoạt động đồ gá hai
trục quay nhằm mở rộng khả năng công nghệ của robot công nghiệp, thay thế cho
việc nhập khẩu các thiết bị này từ nước ngoài.
Phạm vi nghiên cứu:
+ Nghiên cứu, thiết kế hoàn chỉnh đồ gá quay hai trục quay.
- Tính tốn chọn được bộ truyền động.
- Thiết kế kết cấu cơ khí của đồ gá.
- Thiết kế hệ thống điều khiển.
- Mô phỏng hoạt động của đồ gá.

11

Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:
-

Thiết kế được hồn chỉnh mơ hình đồ gá hai trục quay cho rơbốt hàn

-

Xây dựng, và thiết kế được hệ thống điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu thực tiễn các mơ hình thiết bị hàn tự động của các hãng trên thế
giới
- Tập hợp các ý kiến đóng góp của các chuyên gia về lĩnh vực hàn, tự động
hoá và các chuyên gia về cơng nghệ chế tạo cơ khí
- Thu thập các tài liệu kỹ thuật liên quan triển khai việc tính toán, thiết kế và
lựa chọn thiết bị điều khiển của đồ gá.
- Ứng dụng kỹ thuật điều khiển số khi thiết kế hệ thống điều khiển
- Ứng dụng phần mềm thiết kế 3D chuyên dụng Proengineer khi thiết kế các
chi tiết cơ khí cũng như mơ phỏng hoạt động và phần mềm Autocad để xây dựng
các bản vẽ kỹ thuật.

12


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ HÀN
1.1 Nhiệm vụ của đồ gá hàn
- Đảm bảo độ cứng vững để chống lại biến dạng. Làm giảm biến dạng cục bộ
do nung nóng và co ngót của kim loại nóng chảy và kết tinh.
- Đảm bảo thuận lợi cho quá trình gá đặt theo cữ định trước làm cho việc gá

đặt nhanh chóng. Thuận tiện cho thao tác của cơng nhân trở nên đơn giản,không
ảnh hưởng đến động tác tại mọi vị trí.
- Đảm bảo kích thước như bản vẽ.
- Tránh sai sót vị trí của chi tiết.
Nhờ có đồ gá, chất lượng kết cấu đảm bảo về mặt hình dạng kích thước,tăng
năng suất, giảm thao tác phụ, động tác của công nhân được đơn giản hố, chỉ cần
cho phơi hàn vào những vị trí đã được định trước rồi tiến hành kẹp chặt là có thể
hàn được, đồ gá đảm bảo những yêu cầu của kết cấu sẽ cho ra những sản phẩm
chính xác, chất lượng cao, cơng nhân làm việc có năng suất cao.
Nâng cao năng suất và độ chính xác gia cơng vì vị trí của chi tiết so với máy
đã được xác định bằng các đồ gá định vị, khơng phải rà gá mất nhiều thời gian. Độ
chính xác gia công được đảm bảo nhờ phương án chọn chuẩn, độ chính xác của đồ
gá và đặc biệt là không phụ thuộc vào tay nghề công nhân.
Mở rộng khả năng công nghệ của thiết bị. Đồ gá giúp cho việc thực hiện
ngun cơng khó mà nếu khơng có đồ gá thì khó hoặc khơng thể thực hiện được.
Giảm nhẹ sự căng thẳng và cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, không cần
sử dụng thợ bậc cao.
1.2

Đặc điểm của đồ gá hàn so với đồ gá gia công cắt gọt

- Giống nhau: Đồ gá hàn và đồ gá gia công cắt gọt đều làm việc dựa trên nguyên tắc
định vị và kẹp chặt. Nhằm đảm bảo cho chính xác các vị trí hay bề mặt gia cơng.
- Khác nhau:
Đồ gá gia công cắt gọt được định vị theo nguyên tắc 6 điểm. Tuy nhiên với
đồ gá hàn, do ảnh hưởng của việc biến dạng do nhiệt. Nên trong phần lớn các

13

trường hợp, việc gá kẹp chi tiết đều đưa về bậc siêu tĩnh để tránh cho kết cấu bị biến
dạng.
Đồ gá gia công cắt gọt chủ yếu chỉ phục vụ gia công cho một chi tiết cụ thể.
Tuy nhiên, trong khi hàn một chi tiết hoặc một kết cấu nào đó, đồ gá hàn sử dụng
nhiều và phức tạp hơn.
Đồ gá hàn dựa trên nguyên lý định vị và kẹp chặt, nhưng đa dạng và phong
phú hơn so với đồ gá gia cơng cắt gọt. Đồ gá hàn có thể cho từng liên kết hoặc
nhiều liên kết cùng một lúc. Chúng phụ thuộc vào hình dạng, kích thước của liên
kết hàn.
1.3 Các loại đồ gá hàn
a) Đồ gá hàn thủ công
+ Đặc điểm: Đơn giản, dễ chế tạo, ứng dụng trong các kết cấu phức tạp, và trong
sản xuất nhỏ lẻ.
+ Đây là các loại đồ gá hàn phổ biến hiện nay. Các đồ gá này được chế tạo dựa
trên các yêu cầu gá lắp, định vị, kẹp trong khi hàn và mang tính tự chế nhiều. Có
rất nhiều loại đồ gá được chế tạo được chế tạo trực tiếp bằng phương pháp hàn.
Chúng được “ hệt” trực tiếp trên kết cấu để đảm bảo gá kẹp.

Hình 1.1 Đồ gá hàn thủ công

14


Ưu điểm:
Giá thành chế tạo của các loại đồ gá này thấp,khơng dịi hỏi các chi tiết chế
tạo phức tạp.
+ Ứng trong một số kết cấu phức tạp mà không thể sử dụng các thiết bị định
hình hay tự động.
Nhược điểm:
Khơng đảm bảo độ chính xác, có thể chỉ sử dụng được một lần theo hình

dạng của liên kết hay kết cấu đặc thù riêng. Các loại đồ gá này chỉ phục vụ cho sản
xuất nhỏ lẻ và đơn chiếc. Người thợ mất nhiều thời gian gá lắp, điều đó dẫn đến
năng suất hàn thấp, chất lượng sản phẩm không cao, giảm tính cạnh tranh.
b)Đồ gá hàn bán tự động
Ưu điểm
+ Nâng cao được độ chính xác gá lắp,
và nâng cao năng suất, tăng tính cạnh
tranh của sản phẩm.
Nhược điểm:
+ Vẫn cần có sự tham gia của con
người, năng suất chất lượng mới chỉ
được nâng lên.
Hình 1.2. Đồ gá quay một trục ứng dụng trong hàn ống
c) Đồ gá hàn tự động:
Nhằm định vị chính xác vị trí và kẹp chặt kết cấu khi hàn. Do đó đảm bảo
được độ chính xác của kết cấu. Có thể đưa vào sản xuất hàng loạt, nhờ đó nâng cao
chất lượng và tăng tính cạnh tranh của sản phẩm. Mục đích của đồ gá ngồi việc
định vị, kẹp chặt chống biến dạng cịn đưa kết cấu về vị trí dễ dàng thực hiện hàn
hơn. Nên chất lượng liên kết hàn và năng suất hàn được tăng lên rõ rệt.

15


Hình 1.3. Một số đồ gá hàn tự động
1.3 Xu hướng thiết kế chế tạo đồ gá hiện nay.
Hiện nay các các sản phẩm cơ khí ngày càng phát triển đa dạng, phong phú.
Vì vậy yêu cầu sản phẩm phải có tính cạnh tranh cao. Các sản phẩm của ngành hàn
ngày càng chiếm tỷ trọng lớn hơn. Vì vậy mà đồ gá tự động đang được nghiên cứu
chế tạo và ứng dụng ngày càng nhiều. Nhiều loại đồ gá tự động được chế tạo, nhờ
đó mà giá trị sản xuất và chất lượng sản phẩm tăng cao.

Trong sản xuất hàn, do có những sản phẩm địi hỏi cao về chất lượng nên
phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người công nhân. Nhà sản xuất đã bắt đầu thay
thế bằng việc tự động hóa sản xuất. Để đáp ứng được q trình tự động đó thì trang

16


thiết bị, đồ gá phải được tự động hóa. Vì vậy đồ gá tự động đang là xu hướng ứng
dụng mới trong sản xuất hiện nay
1.4
-

Đồ gá dùng cho robot hàn.
Trên thế giới hiện nay đồ gá dùng cho robot rất đa dạng, tuy nhiên đặc điểm
chung của chúng thì chia ra làm hai dạng cơ bản: Đồ gá di trượt và đồ gá quay.

-

Mục đích của các loại đồ gá này đều mở rộng phạm vi công nghệ của robot với
các kết cấu phức tạp.
+ Đồ gá di trượt: là dạng đồ gá mang robot trượt trên ray để hàn được các kết
cấu có chiều dài lớn mà phạm vi robot khơng với tới được.

Hình1.4. Đồ gá di trượt dùng cho robot
+ Đồ gá quay: Vai trò của đồ gá là đưa các liên kết hàn ở những vị trí khó mà
khi robot làm việc khó có thể với tới được. Làm giảm thời gian lập trình, năng
suất chất lượng hàn cao lên.

Hình 1.5 Đồ gá quay dùng cho robot
17

CHƯƠNG 2:
TÍNH TỐN, THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA ĐỒ GÁ HAI TRỤC QUAY
2.1 Thông số đầu vào và hướng thiết kế đồ gá.
 Thông số đầu vào.
-

Phạm vi góc quay các trục: ±3600

-

Số trục quay: 02

-

Tải trọng có ích: 120kg (trụ thép trịn có kích thước ∅350x150).

-

Dẫn động: động cơ servo xoay chiều,

-

Truyền động: Hộp giảm tốc bánh răng hành tinh.

-

Quy mô sản xuất: Đơn chiếc và loạt nhỏ.

Tốc độ tối đa: trục 1 là 12vòng/phút và trục 2 là 14 vòng/phút

 Hướng thiết kế đồ gá.
Hiện nay, trên thế giới đã có
nhiều hãng thiết kế, chế tạo đồ gá
hai trục quay với hình dáng và kết
cấu khác nhau. Tuy nhiên kết cấu đồ
gá gồm hai trục quay bố trí vng
góc nhau là phù hợp nhất với robot.
Phạm vi góc quay của mỗi trục là 0-

Hình 2.1. Mơ hình thiết kế sơ bộ của đồ gá

3600, được dẫn động bởi động cơ

1. Thân Đồ gá
2. Động cơ giảm tốc nối với trục 1
3. Trục quay 1(Ụ quay hàn nối với trục
và nối với trục động cơ)
4. Động cơ giảm tốc nối với trục 2
5. Trục quay 2
6. Bàn quay
7. Ổ lăn đỡ hai đầu trục 1

servo. Do yêu cầu về điều khiển vận
tốc, mô men và điều khiển vị trí nên
ứng dụng động cơ AC servo trong
hệ thống truyền động, kết hợp với
hộp giảm tốc bánh răng hành tinh
với độ chính xác định vị cao. Về hệ

18


thống điều khiển sử dụng một máy tính và card PCI; sử dụng phần mềm điều khiển
được viết bằng ngôn ngữ C# với giao diện có thể lựa chọn bằng tiếng việt hoặc
tiếng anh. Đồ gá được kết nối và hoạt động đồng bộ cùng với robot.
2.2 Tính tốn, lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc cho đồ gá.
2.2.1 Cơ sở lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc
Việc nghiên cứu thiết kế đồ gá cho sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ, nên bên
cạnh chất lượng của sản phẩm thì giá thành hạ là yếu tố được quan tâm.
Ta lựa chọn động cơ servo và hộp giảm tốc bánh răng hành tinh với độ chính
xác cao. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng cung cấp động cơ và hộp giảm
tốc, tuy nhiên do yêu cầu về giá thành, nên ta sử dụng động cơ của hãng
YASKAWA( Nhật bản), và hộp giảm tốc của hãng KUKEN(Trung quốc). Giá
thành của các hãng này phải chăng và được chấp nhận.
Chất lượng của động cơ các hãng của Nhật luôn có uy tín cao. Đầu ra của hộp
giảm tốc được gắn liền với trục quay của đồ gá.

a.

b.

Hình 2.2. a.Động cơ servo của hãng YASKAWA
b. Hộp giảm tốc của hãng KUKEN

19


2.2.2 Tính chọn động cơ và hộp giảm tốc cho trục 2

 Xác định các điều kiện đầu vào.
-

Giới hạn góc quay của bàn quay là ± 3600

-

Vận tốc đầu ra của trục 2 là 14 (vòng/phút)

-

Khoảng lệch tâm lớn nhất tính từ tâm phơi đến bàn gá phơi là 100(mm)

-

Phơi có dạng trụ trịn đặc bằng thép có kích thước ∅350x150 (mm) 120kg)



Chu trình làm việc: 70%

Sơ đồ kế cấu của trục 2

Sơ đồ động học của trục 2 được mơ tả như trên hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ động học của trục 2
1: Động cơ servo

5. Ổ lăn

2: Hộp giảm tốc nối với động cơ

6: Vật hàn

3: Trục quay nối trục động cơ với bàn quay

a: Khoảng lệch tâm lớn nhất

4: Đĩa quay

20


 Chu trình tải trọng
- Thời gian tăng tốc: t 1 = 0,15s
- Thời gian vận tốc không đổi:
t 2 = 10÷360s ; Chọn t 2 = 360s
- Thời gian giảm tốc: t 3 = 0,15s
- Thời gian dừng: t 4 = 1s
- Tổng thời gian quay:
t 5 = t 1 + t 2 +t 3 = 361,3s

Hình 2.4. Chu trình tải trọng
 Tính tốn và chọn hộp giảm tốc cho trục 2.
Ta tính tốn chọn hộp giảm tốc trên cơ sở chọn một loại hộp giảm tốc ứng với
loại động cơ cần chọn, sau đó tính tốn và kiểm nghiệm. Khi kết quả thông số của
hộp giảm tốc phù hợp với động cơ được chọn thì lựa chọn. Chọn động cơ của hãng
Yaskawa có số vịng quay N dm = 3000 (vịng/phút) để tính hộp giảm tốc.
 Tmax  ≤ TP


  ≤ N dm*
Thông số hộp giảm tốc được chọn phải thỏa mãn:  N dm

 Tm  ≤ Tn

Trong đó:
T max : Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc
N dm : Số vòng quay định mức ở đầu ra hộp giảm tốc.
T m : Mơmen xoắn trung bình tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc
T p ; N dm* ; T n là các giá trị tương ứng của hộp giảm tốc được chọn.

21


 Tính tỷ số truyền của hộp giảm tốc.
Tỷ số truyền của hộp giảm tốc được xác định theo công thức.
=
V2 N dc .

N dc .ηbt
1
.η=
bt ⇒ U hgt
U hgt .U bt
V2 .U bt

Trong đó:
N dc = 3000 (vịng/phút) : Số vòng quay của động cơ ( Bằng số vòng quay
đầu vào của hộp giảm tốc)
V 2 = 14 (vòng/phút) : Số vòng quay trục 2

U bt : Tỷ số truyền của các bộ truyền; do khơng có bộ truyền nên U bt = 1
ηbt : Hiệu suất truyền động, ở đây là hiệu suất của cặp ổ lăn; chọn ηbt =

0,975
Thay số vào cơng thức ta có tỷ số truyền của hộp giảm tốc là:
𝑈𝑈ℎ𝑔𝑔𝑔𝑔 =

𝑁𝑁đ𝑐𝑐 . 𝜂𝜂𝑏𝑏𝑏𝑏 3000.0,975
=
= 209
14.1
𝑉𝑉2 . 𝑈𝑈𝑏𝑏𝑏𝑏

Dựa trên catalog của hãng ta chọn hộp giảm tốc có tỉ số truyền là 225
 Gia tốc góc trên trục ra của hộp giảm tốc.
Vận tốc điều khiển trục 2:
𝑉𝑉đ𝑘𝑘 = 𝑉𝑉2 .

1

60

. 360 = 14.

1

60

. 360 = 84 (độ/giây)

Vận tốc bàn quay đạt được sau quá trình tăng tốc:
𝑉𝑉0 = 𝑉𝑉đ𝑘𝑘 ∙

𝜋𝜋
3,14
= 84 ∙
= 1,47(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠)
180
180

Gia tốc góc của bàn quay: ∝𝑇𝑇 =

𝑉𝑉0
𝑡𝑡1

=

1,47
0,15

= 9,8(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠 2 )

Gia tốc góc trên trục ra của hộp giảm tốc:

∝𝐶𝐶 = ∝𝑇𝑇 . U bt= 9,8(𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟/𝑠𝑠 2 )
R

22

 Xác định mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc.
Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc được xác định theo cơng
thức:
T max = T A + T B
Trong đó:
T max : Mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra hộp giảm tốc.
T A : Mômen xoắn lớn nhất gây ra bởi mơmen qn tính.
TB

: Mơmen xoắn lớn nhất gây ra khi tải trọng đặt lệch tâm quay.

Dựa trên sơ đồ của đồ gá và của trục quay 2, ta thấy khi trục 2 ở vị trí nằm
ngang và chi tiết hàn được đặt ở vị trí có độ lệch tâm lớn nhất thì khi đó Mơmen
xoắn tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc lớn nhất. Để tính mơmen xoắn lớn
nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc, mâm quay được thiết kế sơ bộ và tính
mơmen theo mâm quay thiết kế sơ bộ rồi nhân thêm hệ số an tồn.

Thơng số:
- Vật liệu: GX 15-32
- Khối lượng :40 kg
- Mơmen qn tính với trục quay:
I≈ 1,24kg.m2

Hình 2.5. Mơ hình bàn quay

23


Hình 2.6. Tải trọng trên trục 2
-

Mơmen xoắn gây ra bởi mơmen qn tính xác định bởi cơng thức:
T A = I R .α C [N.m]
Trong đó : I R là mơmen qn tính của vật quay;
𝐼𝐼𝑅𝑅 = 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 + 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

-

2
𝑀𝑀𝑐𝑐𝑐𝑐 . 𝑅𝑅𝑐𝑐𝑐𝑐
=
+ 𝑀𝑀𝑐𝑐𝑐𝑐 . 𝑒𝑒 2 + 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅
2

40. 0,252
120. 0,1752
2
+ 120. 0,1 +
= 4,29
=
2
2

Mômen xoắn gây ra bởi mômen quán tính là:

T A = I R .α C = 4,29 . 9,8 = 42,04(N.m)

-

Mômen xoắn gây bởi trọng lực đặt lệch tâm quay:

Phôi hàn được đặt lệch tâm quay một khoảng lớn nhất a = 100 (mm) cho nên

trọng lượng của phơi gây ra một mơmen xoắn có giá trị: T B = P ct .g.a
Trong đó:
P ct : Khối lượng của chi tiết ; P ct = 120 (kg).
g : Gia tốc trọng trường; g = 9,8 (m/s2)
a : Khoảng lệch tâm lớn nhất; e = 0,1 (m).
Thay số vào cơng thức ta có mơmen xoắn gây bởi trọng lực đặt lệch tâm quay là:
T B = P ct .g.a = 120.9,8.0,1 = 117,6 (N.m)
24


Vậy mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc là:
T max = T A +T B = 42,04 + 117,6 = 159,64 (N.m)
Do mâm quay có thể thay đổi khối lượng cũng như kết cấu cho phù hợp với
thiết kế tổng thể của đồ gá và do trong q trình làm việc có thể xuất hiện thêm các
lực khác như lực ma sát…v.v. Nên để đảm bảo hộp giảm tốc lựa chọn có thể làm
việc tốt với những thay đổi đó thì mơmen xoắn lớn nhất sẽ được nhân thêm với hệ
số an toàn K = 1,3.
Vậy mômen xoắn lớn nhất tác dụng lên trục ra của hộp giảm tốc là:
T max = T max . K = 159,64.1,3 = 207,53(N.m).
 Số vòng quay trung bình của trục ra hộp giảm tốc.
Số vịng quay trung bình ở đầu ra của hộp giảm tốc được xác định theo công thức:
Nm =

t1.N1 + t 2 .N 2 + t 3 .N 3 (Vòng/phút)
t1 + t 2 + t 3

Trong đó:
N 2 : Vận tốc đầu ra của hộp giảm tốc; 𝑁𝑁2 =

𝑁𝑁𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑈𝑈ℎ𝑔𝑔𝑔𝑔

=

3000
225

= 13,33 (Vòng/phút)

N 1 ; N 3 : Vận tốc đầu ra trung bình của hộp giảm tốc ở giai đoạn tăng tốc và
giảm tốc;

Giả sử vận tốc tăng theo đường tuyến tính thì
𝑁𝑁1 = 𝑁𝑁3 =

𝑁𝑁2
2

=

13,33

t 1 : Thời gian tăng tốc; t 1 = 0,15 (s)

2

= 6,67 (Vòng/phút)

t 2 : Thời gian ổn định tốc độ; t 2 = 360 (s)
t 3 : Thời gian giảm tốc ; t 3 = 0,15 (s)
Vậy số vịng quay trung bình ở đầu ra hộp giảm tốc là:
𝑁𝑁𝑚𝑚 =

𝑡𝑡1 . 𝑁𝑁1 + 𝑡𝑡2 . 𝑁𝑁2 + 𝑡𝑡3 . 𝑁𝑁3 0,15.6,67 + 360.13,33 + 0,15.6,67
=
𝑡𝑡1 + 𝑡𝑡2 + 𝑡𝑡3
0,15 + 360 + 0,15
25