Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot hàn tự hành phục vụ cho ngành đóng tàu ở việt nam

- Nghiên cứu tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh và điều khiển một hệ thống Robot hàn tự hành bao gồm Robot tự hành, thiết bị hàn, thiết bị tạo dao động dích dắc đầu hàn, thiết bị tạ

Trang 1

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.03/06-10 NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

Trang 2

2

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.03/06-10 NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hàn tự hành phục vụ cho ngành đóng tàu ở Việt Nam

Mã số: KC.03.06/06-10 Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ VPCCT trọng điểm cấp NN

Hà Nội - 2010

Trang 3

Hà nội, ngày 27 tháng 02 năm 2010

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I THÔNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hàn tự hành phục vụ cho ngành

đóng tàu ở Việt Nam

Họ và tên: Bùi Văn Hạnh

Ngày, tháng, năm sinh: 20 tháng 05 năm 1963 Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị: Tiến sĩ

Chức danh khoa học: Chức vụ: Phó Viện Trưởng Viện Cơ Trường ĐHBK Hà nội, Phó Trưởng Bộ môn Hàn & CNKL

khí-Điện thoại: Tổ chức: 04.38694242 Nhà riêng: 04.35583583 Mobile: 0913 507 234

Fax: 04.38684543 E-mail: hanh-dwe@mail.hut.edu.vn Tên tổ chức đang công tác: Bộ môn Hàn & Công nghệ kim loại-Viện

Cơ khí-Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Địa chỉ tổ chức: 306-C1-Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Địa chỉ nhà riêng: P511-C9B-Ngõ 19-Hoàng Ngọc Phách-Láng

Hạ-Đống Đa-Hà nội

Trang 4

4

3 Tổ chức chủ trì đề tài/dự án:

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Điện thoại: 04.38694242 Fax:

E-mail:

Website: www.hut.edu.vn

Địa chỉ: Số 1-Đại Cồ Việt-Hai Bà Trưng-Hà nội

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: GS TS Nguyễn Trọng Giảng

Số tài khoản: 93101062

Ngân hàng: Kho bạc nhà nước - Hai Bà Trưng – Hà Nội

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Giáo dục và Đào tạo

II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN

1 Thời gian thực hiện đề tài/dự án:

- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 12 năm 2007 đến tháng 12 năm 2009

- Thực tế thực hiện: từ tháng 12 năm 2007 đến tháng 03 năm 2010

Thời gian

(Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

Thời gian (Tháng, năm)

Kinh phí (Tr.đ)

Trang 5

5

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

Đối với đề tài:

- Lý do thay đổi (nếu có):

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm

vụ, xét chọn, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban

1 Số 1839/QĐ-BKHCN

ngày 05/09/2007

Quyết định phê duyệt các tổ chức, cá nhân trúng tuyển chủ trì thực hiện các Đề tài năm

Trang 6

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1 Viện Nghiên

cứu Cơ khí

Viện Nghiên cứu Cơ khí

Kiểm tra chất lượng mối hàn

Các kết quả kiểm tra đánh giá chất lượng mối hàn

2 Công ty

Đóng tàu Phà

Rừng

Công ty Đóng tàu Phà Rừng

Thử nghiệm sản phẩm

Đánh giá khả năng ứng dụng của sản phẩm đề tài

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

2 TS Nguyễn

Mạnh Tiến

TS Nguyễn Mạnh Tiến

Thiết kế bộ điều khiển và bảng lập trình Robot Tham gia viết phần mềm

Trang 7

7

3 ThS Nguyễn

Danh Huy

ThS Nguyễn Danh Huy

Thiết kế bộ điều khiển và bảng lập trình Robot Tham gia viết phần mềm

4 ThS Nguyễn

Hồng Thái

ThS Nguyễn Hồng Thái

Thiết kế các khâu của Robot và mô phỏng trên máy tính

5 PGS.TS Phan

Bùi Khôi

PGS.TS Phan Bùi Khôi

Bài toán động học, động lực học

6 TS Nguyễn

Ngọc Thành

TS Nguyễn Ngọc Thành

Tính toán số bậc tự do và vùng làm việc cho Robot tự hành

7 TS Hoàng

Văn Châu

TS Hoàng Văn Châu

Thiết kế hệ thống tạo dao động dích dắc đầu hàn

6 Tình hình hợp tác quốc tế:

Số

TT

Theo kế hoạch

(Nội dung, thời gian, kinh

phí, địa điểm, tên tổ chức

người tham gia )

Ghi chú*

1 Dự kiến hợp tác với Viện

nghiên cứu tàu thủy Thiên

Tân – Trung quốc

Đi công tác tại Quảng Châu Trung Quốc, 2 người từ 13/4/08-18/4/08

-2 Dự kiến hợp tác với Trường

Đại học Giao thông Thượng

hải – Trung quốc

Đi công tác tại Bắc Thiên Tân-Thượng Hải, 3 người từ 13/5/08-23/5/08 Kinh phí dự kiến: 135tr Kinh phí thực tế: 135tr

Trang 8

(Nội dung, thời gian,

kinh phí, địa điểm )

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

Thực tế đạt được

1 Nghiên cứu tính toán, thiết kế

Robot tự hành:

7/2008

12/2007-Cả nhóm

2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống

tạo quỹ đạo di chuyển cho

Robot tự hành

8/2008

10/2008

8/2008-Cả nhóm

4 Xây dựng phần mềm điều

khiển Robot tự hành

12/2008

3/2009

1/2009-Cả nhóm

6 Chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh

hệ thống thiết bị trên cơ sở

thiết kế đã tính toán, thiết lập

và phê duyệt

5/2009

3/2009-Cả nhóm

Trang 9

9

7 Tiến hành hàn thử nghiệm

trên hệ thống thiết bị đã chế

tạo, kiểm tra đánh giá chất

lượng mối hàn theo các yêu

cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn

hàn tàu thuỷ

8/2009

3/2010

8/2009-Cả nhóm

- Lý do thay đổi: Do ngành đóng tàu gặp nhiều khó khăn trong thời gian qua nên việc ứng dụng thử nghiệm sản phẩm của đề tài bị chậm lại Bộ Khoa Học Công Nghệ đã đồng ý cho gia hạn đề tài đến hết 3/2010 theo quyết định số 2921/QĐ-BKHCN ký ngày 21/12/2009

Trang 10

10

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

Theo kế hoạch

Thực tế đạt được

- Thiết kế được thực hiện bằng phần mềm AUTOCAD

- QTCN khả thi được

áp dụng trong sản xuất thực tế và được cơ sở sản xuất chấp thuận bằng văn bản

- Giao diện thân thiện với người sử dụng

-Theo kế hoạch

- Giao diện phần mềm bằng tiếng Việt

Trang 11

1 Bài báo khoa

học

Nội dung thông tin khoa học có tính mới, các kết luận có giá trị về

lý thuyết và thực

tiễn

Theo kế hoạch

2 bài đăng trên tạp chí KHCN các trường đại học, 1 bài đăng trên kỷ yếu Hội nghị KHCN Cơ khí chế tạo toàn quốc lần 2, 11/2009

d) Kết quả đào tạo:

Theo kế hoạch

Theo

kế hoạch

Đã hoàn thiện đơn đơn đăng ký e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế

Trang 12

12

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình

độ công nghệ so với khu vực và thế giới…)

- Quy trình công nghệ hàn khả thi ứng dụng trong đóng tàu, đảm bảo mối hàn đạt chất lượng cao

- Tự động hóa quá trình hàn giáp mối khi ghép nối tổng đoạn vỏ tàu thủy,

- Điều khiển số các thông số chế độ hàn bằng phần mềm cho phép thiết lập được chế độ hàn hợp lý nhất cho phép nâng cao năng suất và chất lượng khi hàn vỏ tàu

- Phần mềm tính toán và điểu khiển robot do chính nhóm tác giả viết, có giao diện bằng tiếng Việt, có nhiều tính năng tiện ích, dễ sử dụng , dễ nâng cấp và có thể cài đặt cho nhiều thiết bị tương tự

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

- Cải thiện điều kiện lao động cho người lao động

- Tăng năng suất lao động, giảm chi phí chế tạo đóng mới vỏ tàu

- Đưa công nghệ đóng tàu trong nước nên một tầm cao mới ngang bằng với các nước trong khu vực

- Giá thành của sản phẩm sẽ giảm xuống chỉ còn khoảng 50% so với sản phẩm nhập khẩu toàn bộ

Trang 13

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

yêu cầu, đề nghị phát triển pha 2 để ứng dụng vào thực tế

IV Nghiệm thu cấp nhà

nước

Trù bị:

24/07/2010 Đánh giá:

31/07/2010

Hội đồng đánh giá đạt loại khá, đề nghị tiếp tục phát triển dưới dạng đề tài hoặc dự án

TS Bùi Văn Hạnh

Trang 14

14

Mục lục

BÁO CÁO THỐNG KÊ 3

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3

I THÔNG TIN CHUNG 3

II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN 4

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN 10

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 17

Danh mục các bảng 18

Danh mục các hình vẽ đồ thị 19

MỞ ĐẦU 23

Chương 1 – Thiết kế hệ thống cơ khí 32

1.1 Lựa chọn phương án chế tạo robot 32

1 2 Tính toán chọn động cơ và các bộ truyền 36

1.2.1 Tính toán chọn động cơ chính và hộp giảm tốc 36

1.2.2 Tính toán thiết kế chọn động cơ và hộp giảm tốc cho cơ cấu dịch ngang đầu hàn 38

1.2.3 Tính toán thiết kế cơ cấu lên xuống đầu hàn 41

1.2.4 Tính toán thiết kế cơ cấu lắc đầu hàn 42

1.3 Thiết kế ray dẫn hướng 44

1.3.1 Phân tích các phương án sử dụng hệ thống tạo quỹ đạo xe hàn tự hành 44

1.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế 51

Chương 2 – Thiết kế, chế tạo, lắp ráp hệ thống điều khiển 52

2.1 Hệ thống điều khiển bám quĩ đạo cho robot hàn tự hành 52

2.1.1 Mô hình toán học robot 52

2.1.2 Hệ thống điều khiển một khớp 55

2.1.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển robot 57

2.2 Tính năng, cấu tạo các thiết bị phần cứng trong hệ thống điều khiển 58 2.2.1 Máy tính nhúng công nghiệp (Industrial Embeded computer) 58

2.2.2 Card điều khiển vị trí 4 trục (4 axes control card) 58

2.2.3 Bảng mạch ghép nối (Interface Board) 58

2.2.4 Màn hình cảm ứng (Monitor + Touch Screen) 59

2.2.5 Các núm điều khiển (Control button Keypad) 60

2.2.6 Hệ truyền động servo xoay chiều (AC servo motion system) 60

2.3 Ghép nối thiết bị trong hệ thống điều khiển robot hàn tự hành 62

2.3.1 Ghép nối máy tính PCM-3380 và card PCM-3240 64

2.3.2 Ghép nối card PCM-3240 với board ADAM-3952-J2S 65

Trang 15

15

2.3.3 Ghép nối ADAM-3952-J2S với các biến tần MR-J2S 75

2.3.4 Ghép nối biến tần với động cơ và encorder 80

2.3.5 Điều khiển phanh điện từ của động cơ 81

2.4 Chế tạo và lắp ráp bảng dạy – Teaching Pendant 83

2.4.1 Chức năng và nhiệm vụ của bảng dạy 83

2.4.2 Các thiết bị trên bảng dạy 84

2.4.3 Các yêu cầu kỹ thuật 84

2.4.4 Thiết kế, chế tạo và lắp ráp 85

2.5 Ghép nối bảng dạy với tủ điều khiển và máy tính công nghiệp 87

2.6 Chế tạo và lắp ráp hộp vận hành – Operation Box 90

2.6.1 Chức năng và nhiệm vụ của hộp vận hành 90

2.6.2 Các yêu cầu kỹ thuật 90

2.6.3 Thiết kế, chế tạo và lắp ráp 90

2.6.4 Ghép nối bảng dạy với máy tính 92

2.7 Thiết kế, chế tạo, lắp đặt tủ điều khiển robot 92

Chương 3- Xây dựng phần mềm tính toán và điều khiển robot 100

3.1 Môđun vào ra số liệu 100

3.1.1 Nhiệm vụ của môđun vào ra số liệu 100

3.1.2 Giải pháp phần cứng 101

3.1.3 Giải pháp phần mềm chương trình 101

3.2 Mô đun điều khiển cơ cấu chấp hành 106

3.2.1 Nhiệm vụ của môđun 106

3.2.2 Giải pháp phần cứng 107

3.2.3 Giải pháp phần mềm chương trình 107

3.3 Mô đun tính toán và nội suy 109

3.3.1 Thuật toán nội suy quĩ đạo cho robot hàn tự hành 109

3.3.2 Thuật toán nội suy spline bậc 3 109

3.3.3 Cơ cấu robot tự hành 111

3.3.4 Thuật toán nội suy quỹ đạo di chuyển đầu hàn………113

3.3.5.Mô hình hệ thống điều khiển robot hàn tự hành 114

3.4 Thiết kế giao diện vận hành và điều khiển 115

3.4.1 Nhiệm vụ của giao diện 115

3.4.2 Các giao diện trong chương trình 115

3.4.3 Mô tả chi tiết nhiệm vụ các PANEL 116

3.5 Lập trình điều khiển trên nền Windows 125

3.5.1 Yêu cầu chươngn trình 125

3.5.2 Các chương trình chính 125

3.5.3 Cấu trúc cây của chương trình 126

3.5.4 Lưu đồ chương trình 126

3.6 Kết luận 128

Chương 4 – Xây dựng quy trình công nghệ hàn vỏ tàu 129

Trang 16

16

4.1 Nghiên cứu xác định chế độ hàn 130

4.1.2 Cơ sở lý thuyết xác định chế độ hàn giáp mối 131

4.1.3 Tính toán xác định chế độ hàn giáp mối 140

4.1.4 Tính toán chế độ hàn cho các mối hàn góc 164

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm xác định bộ thông số chế độ hàn 181

4.2.1 Chuẩn bị chi tiết hàn 181

4.3 Thí nghiệm và kết quả 188

4.3.1 Mẫu hàn thử 188

4.3.2 Mẫu thử cơ tính 189

4.3.3 Kết quả thí nghiệm 211

Kết quả đạt được 218

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 221

TÀI LIỆU THAM KHẢO 225

PHỤ LỤC 227

Trang 17

17

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

LCD : Liquid Crystal Display

VGA : Video Graphics Array

VDC : Nguồn một chiều

VAC : Nguồn xoay chiều

MIG : Metal Inert Gas

MAG : Metal Active Gas

Trang 18

18

Danh mục các bảng

Bảng 4.1 Mật độ dòng điện 132

Bảng 4.2 Tốc độ cấp dây, cường độ dòng điện hàn khi hàn trong CO2 132

Bảng 4.3 Trị số N theo đường kính dây 134

Bảng 4.4 Bảng thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 12mm, dây lõi bột 142

Bảng 4.8 Bảng thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 12mm, dây lõi đặc 151

Bảng 4.28 Phạm vi cho phép của mật độ dòng điện 174

Bảng 4.29 Các giá trị của m theo đường kính dây 175

Bảng 4.30 Các kích thước của liên kết hàn góc 178

Bảng 4.31 Chế độ hàn mối hàn góc vật hàn dày 12 mm 179

Bảng 4 34 Thông số kỹ thuật của máy cắt 183

Bảng 4.35 Thông số chế độ cắt 184

Bảng 4.36 Kích thước mối hàn giáp mối 185

Bảng 4.37 Kích thước của mẫu thử kéo 191

Bảng 4.38 Kích thước mẫu xác định độ bền 192

Bảng 4.39 Kích thước mẫu thử uốn tĩnh 198

Bảng 4.40 Kết quả thử kéo 212

Bảng 4.41 Kết quả thử uốn 215

Bảng 4.42 Kết quả thử độ dai va đập 216

Trang 19

19

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Sơ đồ động học robot hàn tự hành 32

Hình 1.2 Nguyên lý cơ cấu dịch chuyển dọc trục mối hàn 33

Hình 1.3 Hộp giảm tốc bánh răng sóng 34

Hình 1.4 Cơ cấu dịch ngang mỏ hàn 34

Hình 1.5 Cơ cấu lên xuốngđầu hàn 35

Hình 1.6 Cơ cấu lắc đầu hàn 36

Hình 1.7 Xe hàn Railtrac 1000 thực hiện các mối hàn leo 44

Hình 1.8 Xe hàn BUG-O-MATIC 46

Hình 1.9 Ray Tròn … 46

Hình 1.10 Ray mềm 46

Hình 1.11 Định vị ray bằng nam châm vĩnh cửu 47

Hình 1.12 Các dạng kết cấu cố định ray bằng nam châm vĩnh cửu 47

Hình 1.13 Ray và hệ thống ray dùng nam châm vĩnh cửu 48

Hình 1.14 Ray có độ uốn lớn 48

Hình 1.15 Các loại ray và cơ cấu hút chân không 50

Hình 2.1 Mô tả động học cơ cấu robot 52

Hình 2.2 Cơ cấu chuyển động của khớp robot 52

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động……… … 54

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống điều khiển cho một khớp……… 55

Hình 2.5 Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển vị trí các trục 57

Hình 2.6 Cấu tạo máy tính nhúng PCM-3380 58

Hình 2.7 Cấu tạo mạch ghép nối ADAM-3952/J2S 59

Hình 2.8 Sơ đồ cơ bản đấu nối cho biến tần MR-J2S 61

Hình 2.9 Sơ đồ ghép nối tổng quát các thiết bị 63

Hình 2.10 Cấu tạo bảng mạch ghép nối PCM 3717 64

Hình 2.11 Cấu tạo và chức năng các giắc của adapter PCM-3117 65

Hình 2.12 Ghép nối các tín hiệu điều khiển giữa card điều khiển 66

PCM-3240 và biến tần MR-J2S 66

Hình 2.13 Các tín hiệu tương ứng giữa PCM-3240 và ADAM-3952 67

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch ghép PCM-3240 Æ ADAM3952 68

Trang 20

20

Hình 2.15 Mạch ghép PCM-3240 Æ ADAM3952 – mặt trên 69

Hình 2.16 Mạch ghép PCM-3240 Æ ADAM3952 – mặt dưới 69

Hình 2.17 Cấu tạo bảng mạch ADAM-3952 75

Hình 2.18 Ghép nối cáp điều khiển giữa ADAM-3952 với MR-J2S 76

Hình 2.19 Thứ tự các tín hiệu trên cáp CAN và CNB 77

Hình 2.20 Sơ đồ chân ghép nối động cơ và encorder với biến tần 81

Hình 2.21 Sơ đồ mạch điều khiển phanh điện từ 82

Hình 2.22 Bảng mạch điều khiển phanh 83

Hình 2.23 Kết cấu bảng dạy 85

Hình 2.24 Kích thước chế tạo vỏ hộp bảng dạy 86

Hình 2.25 Bố trí mặt bảng dạy 86

Hình 2.26 Sơ đồ mạch ghép nối nút điều khiển với cổng LPT 88

Hình 2.27 Mạch in mạch ghép nối nút điều khiển (mặt trên) 89

Hình 2.28 Mạch in ghép nối nút điều khiển (mặt dưới) 89

Hình 2.29 Kích thước và bố trí trên hộp vận hành 91

Hình 2.30 Kích thước mặt trước tủ điều khiển 93

Hình 2.31 Kích thước mặt phải tủ điều khiển 94

Hình 2.32 Kích thước mặt trái tủ điều khiển 95

Hình 2.33 Bố trí thiết bị trong tủ nhìn từ phía trước 96

Hình 2.34 Bố trí thiết bị trong tủ nhìn từ bên phải 97

Hình 2.35 Kích thước chế tạo bảng lắp ráp các giắc nối điều khiển 98

Hình 2.36 Kích thước chế tạo bảng lắp ráp các dây nối động cơ và encoder 99

Hình 3.1 Lưu đồ chức năng chương trình 102

Hinh 3.2 Panel điều khiển bằng tay robot……… 104

Hinh 3.3 Nhập dữ liệu từ màn hình TOUCH _SCREEN 105

Hinh 3.4 Panel chỉnh sửa số liệu……… ……106

Hình 3.5 Mô hình cơ cấu robot hàn tự hành……… ………112

Hình 3.6 Nội suy theo đường cong phi tuyến………112

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán nội suy thô quĩ đạo hàn……… 113

Hình 3.8 Cấu hình hệ thống điều khiển servo robot hàn tự hành 4 trục……… 114

Hình 3.9 PANEL màn hình chính……….116

Hình 3.10 PANEL Đăng nhập màn hình……… 117

Trang 21

21

Hình 3.11 PANEL Điểm-Điểm 118

Hình 3.12 PANEL lập trình đường thẳng 119

Hình 3.13 PANEL lập trình đường tròn 120

Hình 3.14 PANEL PANEL Lập trình đường cong bất kỳ (spline) 120

Hình 3.15 PANEL điều khiển máy hàn – lệnh gây hồ 121

Hình 3.16 PANEL điều khiển lắc đầu hàn…… 121

Hình 3.17 Panel điều khiển bằng tay……… ….122

Hình 3.18 PANEL NUM phục vụ nhập số liệu từ màn hình TOUCH _SCREEN……….… 123

Hình 3.19 PANEL Trợ giúp hướng dẫn sử dụng và lập trình điều khiển trên robot……… … 124

Hình 3.20 Màn hình lập trình và cấu trúc dạng cây của chương trình… … …126

Hình 4.1 Dây hàn MAG……….… 131

Hình 4.2 Các ký hiệu kích thước liên kết hàn……….… 140

Hình 4.3 Liên kết hàn giáp mối tư thế 1G, 3G và 4G chiều dày 12 mm 140

Hình 4.4 Liên kết hàn giáp mối tư thế 2G chiều dày 12 mm 143

Hình 4.6 Liên kết hàn giáp mối tư thế 2G chiều dày 18 mm 158

Hình 4.8 Liên kết hàn giáp mối tư thế 2G chiều dày 24 mm .161

Hình 4.9 Liên kết hàn giáp mối không vát mép không có khe hở hàn từ hai phía 165

Hình 4.10 Sự phụ thuộc của ψn vào cường độ dòng điện hàn (dòng xoay chiều) 167

Hình 4.11 Sự phụ thuộc của αđ vào chế độ hàn 168

Hình 4.12 Ảnh hưởng của kiểu liên kết hàn, khe hở hàn và sự vát mép đến tiết diện ngang của mối hàn 172

Hình 4.13 Chiều cao của mối hàn khi hàn liên kết có vát mép và có khe hở hàn 173

Hình 4.14 Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và tốc độ hàn 175

Hình 4.15 Tiết diện ngang của kim loại đắp mối hàn góc có vát mép 176

Hình 4.16 Máy cắt khí oxy-axêtylen IK-12BEETLE 182

Hình 4.17 Liên kết giáp mối vỏ tàu 185

Trang 22

22

Hình 4.18 Khả năng làm việc của máy Hình 4.19 Mẫu hàn thử……… 188 Hình 4.20 Tách mẫu……… 190 Hình 4.21 Mẫu hàn giáp mối: a)- loại bình thường; b)- loại có vấu 191 Hình 4.22 Mẫu xác định độ bền 192 Hình 4.23 Kích thước mẫu thử kéo 193 Hình 4.24 Mẫu thử kéo kim loại đắp: a)- hình dáng; b)- phê chuẩn WPS……….194 Hình 4.25 Quan hệ giữa độ giãn dài tương đối với ứng suất kéo 195 Hình 4.26 Kích thước mẫu thử kim loại đắp 195 Hình 4.27 Mẫu thử uốn: a)- mối hàn dọc; b)- mối hàn ngang 196 Hình 4.28 Thử uốn tĩnh 197 Hình 4.29 Thử uốn theo tiêu chuẩn AWS D1.1 198 Hình 4.30 Kích thước mẫu thử uốn 199 Hình 4.31 Mẫu bẻ gãy mối hàn giáp mối 200 Hình 4.32 Mẫu thử CTOD 201 Hình 4.33 Sơ đồ thử độ dai phá huỷ 202 Hình 4.34 Giá trị độ cứngHB tại các điểm 203 Hình 4.35 Thiết bị và mũi đo độ cứng theo phương pháp Vickers 204 Hình 4.36 Nhiệt độ chuyển tiếp 206 Hình 4.37 Mẫu chuẩn đầy đủ thử dai va đập 207 Hình 4.38 Nơi lấy mẫu thử tiêu biểu 207 Hình 4.39 Máy thử va đập và vị trí búa đập 208 Hình 4.40 Thông tin phá huỷ giòn và dẻo 209 Hình 4.41 Đường cong mỏi 210 Hình 4.42 Quan hệ giữa ứng suất tới hạn và độ bền mỏi 211 Hình 4.43 Giới hạn chảy của các mối hàn 213 Hình 4.44 Giới hạn bền của các mối hàn 214 Hình 4.45 Độ dai va đập của mối hàn 217

Trang 23

23

MỞ ĐẦU

Mục tiêu của đề tài:

- Tự động hoá nguyên công hàn vỏ tàu bằng việc sử dụng robot tự hành chế tạo tại Việt Nam đáp ứng nhu cầu hàn tấm lớn với chất lượng cao của công

nghiệp đóng tàu thuỷ Việt Nam

- Nghiên cứu tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh và điều khiển một hệ thống Robot hàn tự hành bao gồm Robot tự hành, thiết bị hàn, thiết bị tạo dao động dích dắc đầu hàn, thiết bị tạo quỹ đạo di chuyển của Robot, có các chỉ tiêu và tính năng kỹ thuật tương đương với thiết bị cùng loại của các nước trong khu vực, đảm bảo thực hiện được các mối hàn đạt chất lượng theo

TCVN, ứng dụng cho ít nhất một cơ sở đóng tàu trong nước

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của Đề tài:

Ngoài nước:

Trên thế giới, lĩnh vực đóng tàu đang hết sức phát triển với sự tham gia của nhiều công trình nghiên cứu trên mọi lĩnh vực Công nghệ hàn chiếm một vị trí quan trọng thiết yếu đối với ngành đóng tàu, do vậy xu thế phát triển của công nghệ hàn ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của công nghiệp đóng tàu

Trong những năm 80 của thế kỷ trước, trong các nhà máy đóng tàu trên thế giới, quá trình hàn thường được thực hiện bởi người công nhân Nhưng với quy mô sản xuất ngày càng gia tăng nên công việc cơ khí hóa, tự động hóa các quá trình hàn đã được đưa vào áp dụng Khác với các lĩnh vực khác, kết cấu tàu thủy có kích thước và khối lượng lớn, đồng thời phải thi công cả ở trong nhà xưởng lẫn ngoài công trường Nên việc cơ khí hóa, tự động hóa cũng có những đặc thù rất riêng

Có thể kể đến công trình nghiên cứu đầu tiên trong việc cơ khí hóa quá trình hàn trong đóng tàu là việc thiết kế các loại xe hàn dùng cho quá trình cắt khí khi gia công các tấm vỏ tàu Tiếp theo là áp dụng vào quá trình hàn hồ quang

Trang 24

tương tự là FWR-1000

Sự phát triển tiếp theo có thể kể đến đó là công trình nghiên cứu của hãng Automation (Mỹ) khi đưa công nghệ sử dụng dầu dò mép hàn vào để điều chỉnh tự động sự di chuyển của đầu hàn Tuy nhiên đầu dò được sử dụng ở đây là sensor cơ khí, do vậy nó mới chỉ phù hợp với các loại mép hàn đơn

AP-giản nhưng cũng là bước phát triển lớn khi áp dụng cho hàn vỏ tàu

Sau khi thiết bị hàn tự động dò mép hàn được ứng dụng tốt cho công nghiệp đóng tàu cũng như các lĩnh vực khác, hướng phát triển tiếp theo trong tự động hóa quá trình hàn đóng tàu chuyển sang nghiên cứu phương pháp dò tự động đầu hàn song song với sự phát triển của công nghệ sensor và lập trình điều khiển với phát triển nở rộ nhất phải kể đến là áp dụng công nghệ điều khiển của robot công nghiệp

Các công trình nghiên cứu xử lý tín hiệu đầu dò được áp dụng cho tự động hóa quá trình hàn trong ngành đóng tàu gần đây nhất:

Trang 25

25

1 Xác định mép hàn dựa trên công nghệ xử lý tín hiệu hình ảnh từ camera

CCD với nguồn phát là chùm tia laser của Viện nghiên cứu công nghiệp

Auckland, New Zealand

2 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý tín hiệu nhận từ sensor cho hệ thống

Robot hàn với điều khiển thời gian thực – Đại học công nghệ Thiên Tân –

Trung Quốc

3 Nghiên cứu ứng dụng đầu dò laser cho hàn tự động trong công nghiệp tàu

thủy – Viện công nghệ điều khiển và gia công cắt gọt – Stuttgard, Đức

Trong giai đoạn hiện nay, công nghiệp đóng tàu đang chuyển dần về khu vực

Đông Á Tại khu vực này đang có sự cạnh tranh quyết liệt về khoa học kỹ

thuật và công nghệ đóng mới tàu thủy Để giữ được vị trí cao trong lĩnh vực

đóng tàu, Hàn quốc đã vạch ra chiến lược đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng

các hệ thống tự động sản xuất, trong đó có các loại Robot để nhằm nâng cao

năng suất, đáp ứng các yêu cầu về chất lượng Các hội thảo khoa học gần đây

đã cho thấy việc triển khai chiến lược phát triển trên đang được các nhà khoa

học các nước quan tâm

Trong nước: Trong ngành đóng tàu, công việc hàn là một trong những công

việc quan trọng nhất, công việc này chiếm phần lớn trong việc chế tạo một

con tàu Theo thống kê của Công ty Đóng tàu Phà Rừng, tổng chiều dài

đường hàn trong một con tàu có thể ứng dụng tự động hoá khi thực hiện các

mối hàn như sau:

Loại tàu Loại liên kết / Vị trí thực hiện

Chiều dài đường hàn (m)

Trang 26

4/ Mối hàn giáp mối vị trí nằm ngang/khi đấu đà 830

Tổng cộng 36,740

Các mối hàn này có chiều dài lớn và nằm ở các vị trí hàn góc nằm

ngang, hàn giáp mối ngang và hàn giáp mối leo thích hợp cho việc tự động

hoá Qua bảng trên ta có thể thấy tổng chiều dài đường hàn thích hợp cho tự

động hoá khi chế tạo một tàu chở hàng có tải trọng 20.000 tấn là 27 km và tàu

có tải trong 34.000 tấn là gần 37 km Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt năng

suất và chất lượng nếu các mối hàn này được thực hiện tự động

Hiện nay, trong thực tế ngành đóng tàu ở Việt nam thường sử dụng các

phương pháp hàn sau:

- Hàn hồ quang tay: Phương pháp hàn này đơn giản, dễ sử dụng, đầu tư trang

thiết bị ít Tuy nhiên phương pháp hàn hồ quang tay cho năng suất, chất lượng

mối hàn thấp, chất lượng không ổn định do mọi thao tác đều được thực hiện

bằng tay, điều kiện làm việc của người thợ hàn rất nặng nhọc do phải tiếp xúc

trực tiếp với hồ quang hàn, với khói, bụi, kim loại lỏng bắn toé Do vậy

phương pháp hàn này chủ yếu chỉ sử dụng trong sửa chữa

- Hàn hồ quang bán tự động trong môi trường khí bảo vệ: Trong phương

pháp hàn này chuyển động cấp dây hàn được tự động hoá hoàn toàn nhờ

nguồn hàn được thiết kế có tính năng tự động lựa chọn tốc độ cấp dây hàn

phù hợp với dòng điện hàn đã chọn Còn lại chuyển động của mỏ hàn dọc

theo trục mối hàn được thực hiện bằng tay Phương pháp này đã khắc phục

được một số nhược điểm của phương pháp hàn hồ quang tay và cho năng suất

và chất lượng mối hàn cao hơn Tuy nhiên do chỉ mới tự động hoá được một

trong hai chuyển động quyết định đến năng suất và chất lượng hàn nên

phương pháp này vẫn còn có những hạn chế nhất định Năng suất hàn chưa

Trang 27

27

cao, chất lượng mối hàn vẫn còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề người thợ hàn, điều kiện lao động vẫn chưa được cải thiện về bản chất Hiện nay ngành đóng tàu ở nước ta sử dụng chủ yếu phương pháp hàn này do chưa có các thiết bị hiện đại hơn để thực hiện tự động hoàn toàn quá trình hàn

- Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc: Phương pháp hàn này khắc phục được các nhược điểm của hai phương pháp hàn kể trên do các chuyển động cấp dây hàn và chuyển động dọc trục mối hàn được thực hiện hoàn toàn tự động Năng suất và chất lượng mối hàn rất cao, đặc biệt là có thể hàn một lần với chiều sâu ngấu lớn Tuy nhiên phương pháp hàn này chỉ hàn được ở vị trí hàn bằng Khi hàn ở các vị trí hàn, đứng, trần thuốc hàn và kim loại lỏng sẽ bị rơi xuống do sức hút của trọng lực do đó mối hàn không thực hiện được Chính vì vậy phương pháp hàn này chỉ sử dụng trong trường hợp hàn các mối hàn bằng (có thể cho một số mối hàn ngang) và chỉ thực hiện được trong nhà xưởng, không thích hợp hàn ngoài hiện trường vì trang thiết bị rất cồng kềnh Hiện nay phương pháp này chỉ được sử dụng một phần trong công việc đóng tàu ở nước ta vì trong các con tàu phần lớn là các mối hàn ngang và mối hàn đứng, đặc biệt là khi hàn ghép nối tổng đoạn

Trong các công trình nghiên cứu trong nước về tự động hoá quá trình hàn trong ngành đóng tàu có công trình sau đây có liên quan trực tiếp đến đề tài:

- Đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ cấp Nhà nước giai đoạn

2001-2005 mã số KC.05.09: “Nghiên cứu công nghệ hàn tự động trong không gian nhiều chiều có điều khiển theo chương trình số phục vụ cho việc hàn vỏ tàu và thiết bị hoá dầu” do TS Hoàng Văn Châu-Viện Nghiên

cứu Cơ khí làm Chủ nhiệm Đề tài Trong khuôn khổ Đề tài, nhóm tác giả đã

có thu được một số kết quả nghiên cứu về công nghệ hàn tự động trong không gian nhiều chiều có sử dụng đầu dò quỹ đạo đường hàn bằng Laser và điều khiển PLC thông số chế độ công nghệ hàn phụ thuộc vào tư thế hàn trong

Trang 28

28

không gian và có thể ứng dụng cho một số tư thế hàn ống Tuy nhiên các kết quả của đề tài chưa áp dụng được vào ngành đóng tàu Mặt khác đầu dò lase kèm với các thiết bị điều khiển các chuyển động được nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài về với giá rất cao Hệ thống này không di chuyển được theo suốt chiều dài đường hàn, rất cồng kềnh, do đó không thể đưa ra ngoài hiện trường để thực hiện các công việc hàn khi đóng một con tàu, đặc biệt là khi hàn ghép nối tổng đoạn Trong công trình này nhóm tác giả chủ yếu đi sâu nghiên cứu về công nghệ hàn mà không đặt ra mục tiêu chế tạo thành công một thiết bị thực hiện tự động quá trình hàn giống kiểu Robot tự hành như

trong mục tiêu của đề tài này

2001-2005 mã số KC.06.01: “Nghiên cứu các thiết bị và phương pháp công nghệ cơ bản phục vụ cho đóng tàu thuỷ cỡ lớn ” Đề tài mới chỉ đưa

ra một số kết quả ở dạng công nghệ cơ bản, do vậy chưa phù hợp với mục đích đặt ra của đề tài này

2001-2005 mã số KC.03.02 (Đề tài nhánh): “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot hàn và robot dùng trong quốc phòng” do TS Lê Văn Ngự-Viện Điện

tử Tin học chủ trì Sản phẩm của đề tài này mới chỉ dừng lại ở ứng dụng cho quốc phòng dưới dạng robot vận chuyển các chi tiết yêu cầu an toàn cao Không phù hợp với hướng nghiên cứu rrobot tự hành dùng cho đóng tàu

- Công trình “Một giải pháp nhằm nâng cao năng suất và chất lượng của công đoạn hàn vỏ tàu với Robot tự hành trên đường ray” của các tác giả

Ngạc Bảo Long và Lê Hoài Quốc sử dụng phương pháp dò đường hàn bằng các cảm biến bám theo dải băng dính dán song song với đường hàn trên vỏ tàu, Robot được kéo lên bằng tời để thực hiện hết đường hàn Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, giá thành rẻ Tuy nhiên việc dùng com pa để

Trang 29

29

vạch dấu rồi sau đó mới dán băng dính mất rất nhiều thời gian, cho năng suất

và độ chính xác thấp, do vậy phương án này là ít khả thi

- Công trình “Nhận dạng vết và điều khiển chuyển động của Robot hàn tự hành trên đường ray ứng dụng trong ngành đóng tàu” của các tác giả

Nguyễn Xuân Quang và Lê Hoài Quốc sử dụng một cảm biến siêu âm để dò tìm mép hàn Theo phương pháp này, tại một số mặt cắt ngang của đường hàn cho cảm biến siêu âm di chuyển hết chiều rộng mép hàn để tìm điểm có độ sâu lớn nhất và gán điểm đó làm điểm của trục đường hàn tại mặt cắt đó Tập hợp một số điểm lấy mẫu như vậy sẽ được quỹ đạo đường hàn Phương pháp này mất nhiều thời gian cho việc dò tìm vết hàn vì phải thực hiện dò tìm càng nhiều mặt cắt thì càng mới chính xác, hơn nữa do trên thực tế khi ghép nối các tổng đoạn khe hở hàn đạt được là không đồng đều nên việc gán điểm có

độ sâu lớn nhất làm tâm mép hàn là không thoả đáng Chính vì vậy phương án này cũng chỉ mới đưa vào thử nghiệm tại các nhà máy đóng tàu ở phía nam

mà chưa được sử dụng rộng rãi

Nhìn chung các đề tài trên đều có đề cập tới vấn đề công nghệ hàn trong lĩnh vực đóng tàu, nhưng chưa áp dụng trực tiếp vào thực tế sản xuất Hiện nay ở Việt Nam chưa có các công trình nghiên cứu và các đề tài nào đề cập tới Robot tự hành phục vụ cho ngành đóng tàu

Tính cấp thiết của đề tài:

Các công trình đã nghiên cứu trước đây của các tác giả Việt Nam chỉ mới được coi là các thử nghiệm ban đầu, chưa đưa ra được kết quả khả quan Các thiết bị (Robot hàn) được chế tạo ra chỉ ở dạng thử nghiệm, sau một thời gian kiểm nghiệm trên thực tế cho thấy các sản phẩm đó chưa đáp ứng được yêu cầu của thực tế sản xuất do đó không được triển khai tiếp tục Do vậy ngành đóng tàu Việt nam đang đứng trước một thử thách rất lớn đó là yêu cầu phải tăng năng suất chất lượng hàn trong khi đó thiết bị nhập khẩu đắt tiền, còn việc nghiên cứu chế tạo trong nước qua nhiều năm nghiên cứu nhưng vẫn

Trang 30

là một máy tính công nghiệp được cài đặt hệ điều hành Window nhúng nhằm giảm thiểu các chức năng không cần thiết Máy tính này có nhiệm vụ tính toán giải các bài toán động học để tìm ra quỹ đạo điều khiển Hệ thống chấp hành gồm các động cơ servo với encoder có độ phân giải rất cao được điều khiển bởi máy tính thông qua card điều khiển Để truyền chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến sử dụng vít me bi, để tăng mômen dùng các hộp giảm tốc bánh răng sóng có độ chính xác cao với khe hở ăn khớp gần như bằng 0 Bảng lập trình dùng để cài đặt các thông số và lập trình dùng một màn hình cảm ứng, có thể kết với máy tính thông qua cổng giao tiếp tiêu chuẩn Các thiết bị tính toán, điều khiển và chấp hành với các tính năng ưu việt và độ chính xác cao được nhập khẩu Phần mềm tính toán và điều khiển được viết

Trang 31

31

bởi 03 nhóm chuyên gia (chuyên gia về Robot, về Tự động hoá điều khiển và chuyên gia Công nghệ hàn) của Đại học Bách khoa Hà nội Thiết bị được thiết kế và chế tạo bởi đề tài này kết hợp được những tính năng ưu việt của các sản phẩm kể trên được sản xuất bởi các hãng có uy tín trên thế giới đó là

hệ thống hàn tự động FWR1000 của ESAB, đó là sử dụng ray dẫn hướng để

mở rộng phạm vi hoạt động của Robot kết hợp với chức năng lập trình theo quỹ đạo để Robot có thể thực hiện được các đường hàn là đường cong không gian Đây là ý tưởng sáng tạo của nhóm tác giả Tuy nhiên trong khuôn khổ

đề tài này, nhằm giảm thời gian nghiên cứu và sớm đưa sản phẩm ứng dụng vào thực tiễn, nhóm tác giả giới hạn Robot chỉ hàn các mối hàn leo khi ghép nối tổng đoạn Đây là dạng mối hàn khó, với chiều dài đường hàn đến hàng ngàn mét trong một con tàu, do vậy sử dụng Robot này sẽ rất hiệu quả

Tính mới, tính độc đáo, tính sáng tạo của đề tài:

- Tính mới của đề tài thể hiện ở nội dung nghiên cứu thiết kế và chế tạo lần đầu tiên ở Việt Nam hệ thống hoàn chỉnh Robot hàn tự động sử dụng cho ngành đóng tàu

- Tính sáng tạo của đề tài thể hiện ở chỗ sử dụng cả 2 phương pháp di chuyển Robot theo ray dẫn hướng và theo quỹ đạo lập trình Đối với các mối hàn thẳng hoặc chỉ cong trong một mặt phẳng thì sử dụng ray mềm biến dạng được Khi đường hàn uốn quanh trong không gian thì sử dụng chức năng lập trình Khi lập trình sử dụng công cụ toán học để nội suy ra toàn bộ quỹ đạo đường hàn chỉ bằng việc lập trình một vài vị trí khi cho Robot tự hành đi qua các điểm uốn của quỹ đạo mép hàn, điều này làm giảm đáng kể thời gian lập trình mà vẫn đảm bảo đầu hàn vẫn đi đúng theo toàn bộ mép hàn

- Tính độc đáo của đề tài là sử dụng tay máy Robot có dạng xe tự hành có 3 bậc tự do điều khiển bằng các động cơ SERVO đạt độ chính xác rất cao trong điều khiển vị trí, điều này các đề tài trước chưa đề cập đến

Trang 32

32

Chương 1 – Thiết kế hệ thống cơ khí

Hệ thống cơ khí bao gồm robot và ray dẫn hướng

1.1 Lựa chọn phương án chế tạo robot

q - chuyển động quay quanh trục khớp 4

Qua phân tích yêu cầu về công nghệ hàn các mối hàn leo giáp mối khi chế tạo

vỏ tàu robot hàn cần có 5 chuyển động chính:

+ Chuyển động tịnh tiến của Rôbốt q1 (theo trục mối hàn);

Trang 33

Do trong quá trình làm việc góc nghiêng mỏ hàn ít thay đổi và mỏ hàn luôn

có xu hướng vuông góc với bề mặt vỏ tàu mà điều này đạt được do ray dẫn hướng có khả năng uốn theo độ cong của vỏ tàu nên robot hàn tự hành trong

đề tài này chưa đề cập đến chuyển động quay góc nghiêng mỏ hàn (q4)

Chuyển động theo trục mối hàn (theo trục Ox) sử dụng bộ truyền bánh thanh răng, bánh răng (hình 1.2) nối với động cơ qua hộp giảm tốc Chuyển động lắc đầu hàn sử dụng trực tiếp động cơ servo sau khi qua hộp giảm tốc Các hộp giảm tốc sử dụng cho 04 chuyển động chính dùng loại hộp giảm tốc bánh răng sóng chuyên dùng cho công nghệ robot và CNC (xem hình 1.3)

răng-Hình 1.2 Nguyên lý cơ cấu dịch chuyển dọc trục mối hàn

Trang 34

34

Hình 1.3 Hộp giảm tốc bánh răng sóng

Khâu dịch chuyển theo phương Oy ( Dịch ngang đầu hàn) sử dụng bộ truyền vít me bi làm nhiệm vụ biến chuyển động quay từ trục động cơ thành chuyển động tịnh tiến (hình 1.4)

Động cơ Servo 6 truyền momen tới trục vít me bi 1 qua hộp giảm tốc 7, vít

me bi có tác dụng biến chuyển động quay của trục vít me thành chuyển động

Hình 1.4 Cơ cấu dịch ngang mỏ hàn

Trang 35

35

tịnh tiến của nút Các trục 2,3 có tác dụng dẫn hướng, đảm bảo sự ổn định và cứng vững cho chuyển động dịch ngang của mỏ hàn Tấm 5 truyền chuyển động từ nút tới 2 trục dẫn hướng

Các trục dẫn hướng 2,3 được chế tạo từ thép chịu mài mòn cao, được gia công nhẵn phần bề mặt tiếp xúc để làm giảm ma sát

Khâu dịch chuyển theo phương Oz (lên xuống đầu hàn) sử dụng bộ truyền vít

me bi làm nhiệm vụ biến chuyển động quay từ trục động cơ thành chuyển động tịnh tiến (hình 1.5)

Động cơ Servo 6 gắn vào trục vitme bi 1 thông qua hộp giảm tốc 7; Hai trục 2

và 3 là hai trục dẫn hướng cho khối 4 Cơ cấu lắc mỏ hàn lắp với khối 4 Cơ

Trang 36

36

cấu được gắn lên tấm đế 5 thông qua khối 8,9,10 Tấm đế 5 lắp lên cơ cấu dịch ngang của robot hàn

Cơ cấu lắc đầu hàn được thiết kế như hình vẽ dưới đây:

Động cơ lắc 1 truyền monent qua hộp giảm tốc 2 tới trục quay 3 Đầu hàn 4 được lắp vào cơ cấu lắc qua bộ phận gá kẹp 5 Cơ cấu được lắp lên tấm

đế 6

1 2 Tính toán chọn động cơ và các bộ truyền

1.2.1 Tính toán chọn động cơ chính và hộp giảm tốc

Động cơ chính của Robot hàn là động cơ tạo ra chuyển động tịnh tiến theo dọc trục mối hàn (phương Ox) Cơ cấu biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến là cơ cấu bánh răng thanh răng Tính toán động cơ chính đảm bảo các yêu cầu sau:

- Robot hàn di chuyển khi không hàn với vận tốc 1200cm/ph (0,2m/s) Thời gian để tăng vận tốc của robot từ 0 đến 0,2m/s là 0,5s (thời gian mở máy)

Trang 37

m: Khối lượng của mô hình

g: Gia tốc trọng trường

Thay số vào công thức trên ta có:

Tính công suất mở máy

Robot đạt được vận tốc 0,2m/s trong thời gian 0,5s Gia tốc của mô hình là:

Ö Công suất mở máy là:

Lấy hiệu suất bánh răng thanh răng là Hiệu suất của hộp giảm tốc bánh răng sóng là thì công suất cần thiết của động cơ là:

Chọn động cơ HC-UFS13B của Misubishi Electric, có các thông số cơ bản:

Công suất nguồn vào: 0.3 kVA

Trang 38

Mômen xoắn tại trục gây ra bởi trọng lượng bản thân Rôbốt là:

Để Rôbốt có tính tự hãm khi không hoạt động thì mômen khởi động của động cơ qua hộp giảm tốc phải lớn hơn mômen xoắn Mo Tức là: Trong đó:

u là tỉ số truyền của hộp giảm tốc

mo là mômen hãm của động cơ, tra theo bảng

Với loại động cơ HC-UFS13B tra bảng được mo = 0,32 Nm

Trang 39

+ fs : hệ số an toàn, xác định như trên

Làm việc trong điều kiện bình thường : fs = 1 ~ 1,5

Trên cơ sở đó tiến hành chọn vít me bi cho cơ cấu dịch ngang đầu hàn:

Loại RSB, Model 10-2.5B1 với các thông số:

C = 252 ≥ Cyc

Co = 405 ≥ Coyc

do đó thoả mãn yêu cầu

Các thông số của vít me:

+ Bước vít me: 2.5 mm

+ Đường kích vít me: 10 mm

+ Chiều dài đai ốc: L =24mm

+ Đường kính ngoài đai ốc: D = 24 mm

+ Phần lắp đai ốc với bàn trượt: M22x7.5

Theo thiết kế, Vitme bi biến chuyển động quay của trục thành chuyển động tịnh tiến của nut, có hiệu suất tính toán của Vitme bi:

Trang 40

40

Trong đó: là hiệu suất tính toán

do là đường kính danh nghĩa của trục vít me do = 12 mm

Ph là bước ren Ph = 2 mm

Thay số vào ta có:

Suy ra hiệu suất thực tế là:

Với vận tốc dịch ngang là v = 0,4 cm/s tức là vận tốc quay của trục vitme là

Theo thiết kế sơ bộ, khối lượng tổng cộng của cơ cấu mang đầu hàn, cơ cấu lên xuống đầu hàn và phần chuyển động của cơ cấu dịch ngang là 10 kg Lấy hệ số

ma sát trượt giữa bề mặt các trục dẫn hướng 2,3 và khối 4 là k = 0,16 (Hệ số ma sát của một vật bằng thép trượt trên bề mặt đồng có bôi trơn) Suy ra lực ma sát trượt là:

Theo yêu cầu, vận tốc dịch ngang đầu hàn là 0,5 cm/s, thời gian đạt tốc độ 0,4cm/s là 0,1s thì gia tốc của cả cơ cấu dịch ngang là:

Lực cần thiết để di chuyển đầu hàn là:

Công suất cần thiết trên trục vít me để dịch ngang đầu hàn là:

Tiêu đề	Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hàn tự hành phục vụ cho ngành đóng tàu ở Việt Nam
Tác giả	Bùi Văn Hạnh
Người hướng dẫn	TS. Bùi Văn Hạnh
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ thuật tự động hóa, Công nghệ Hàn, Đóng tàu, Robot tự hành
Thể loại	Báo cáo tổng hợp khoa học công nghệ
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	227
Dung lượng	5,15 MB