tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu TÍNH TOÁN THIẾT kế đồ gá DI ĐỘNG CHO ROBOT hàn hồ QUANG AIIMEGA AII

Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, ngành công nghiệp phát triển, ở Việt Nam các nhà máy chế tạo cơ khí, nhà máy Yamaha, nhà máy Honđa.vv… Robot đã được ứng dụng nhiều trong chế tạo, lắp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

******

BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG CHO ROBOT HÀN HỒ QUANG AIIMEGA AII

Học Viên: Nguyễn Thị Bích Ngần Lớp: CHK12 CTM

Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: PGS.TS Phan Bùi Khôi

THÁI NGUYÊN - 2011

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

******

BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG CHO ROBOT HÀN HỒ QUANG AIIMEGA AII

Học Viên: Nguyễn Thị Bích Ngần Lớp: CHK12 CTM

Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: PGS.TS Phan Bùi Khôi

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN

PGS.TS Phan Bùi Khôi Nguyễn Thị Bích Ngần

THÁI NGUYÊN - 2011

Công Nghiệp TN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phan Bùi Khôi

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

Phản biện 2: PGS.TS Ngô Như Khoa

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại trường ĐH kỹ thuật công nghiệp TN

Ngày 10 tháng 12 năm 2011

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, ngành công nghiệp phát triển, ở Việt Nam các nhà máy chế tạo cơ khí, nhà máy Yamaha, nhà máy Honđa.vv… Robot đã được ứng dụng nhiều trong chế tạo, lắp ráp và hàn nối các chi tiết lại với nhau

Hiện nay robot dùng trong công nghệ hàn thường được lắp cố định để hàn các chi tiết cố định Nhưng do trong thực tế có các mối nối (đường hàn) trong không gian phức tạp nên khi hàn phải thay đổi vị trí robot hoặc chi tiết hàn rất mất thời gian, hạn chế năng suất và hiệu quả kinh tế

Việc đưa Robot hàn vào thực hiện các đường hàn có dạng đường cong phức tạp đã được triển khai để hàn nối các chi tiết dạng ống, hàn khung xe máy, vỏ ôtô và các kết cấu phức tạp, có kích thước lớn

Khả năng làm việc của hầu hết các robot hàn có hạn chế về kích thước và vùng công tác mà robot có thể với tới, khả năng định vị và định hướng của phần công tác trong vùng làm việc

Không chỉ nghiên cứu về robot hàn hay hệ thống điều khiển

tự động trong quá trình hàn, hàn tự động đòi hỏi phải có đồ

gá tự động hóa áp dụng cho các vị trí hàn khác nhau trong không gian Điều này sẽ góp phần quyết định công nghệ hàn

tự động có thể thực hiện được các mối hàn phức tạp

Vậy để thuận tiên cho việc di chuyển robot hàn trong quá trình hàn, không mất thời gian, đảm bảo tính kinh tế và cho năng suất, hiệu suất cao việc thiết kế đồ gá di động cho robot

hàn hồ quang Almega AII là rất cần thiết Do vậy đề tài này

có mục tiêu nghiên cứu là thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang ALMEGA AII

Đề tài được nghiên cứu và hoàn thành sẽ góp phần rèn luyện và nâng cao khả năng nghiên cứu về lý thuyết cho tác giả trong quá trình thực hiện luận văn Đồng thời tác giả

hy vọng sẽ đóng góp phần nhỏ vào công nghệ robot hàn tự động và cũng để hiện đại hóa ngành hàn trong tương lai

2 Ý nghĩa của đề tài

2.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện và

bổ sung cho việc điều khiển quá trình công nghệ hàn về thiết

kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII

2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để nâng cao chất lượng và hiệu quả làm việc của robot hàn hồ quang Almega AII

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Giới thiệu tổng quan về Robot

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng

rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã ra tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp có vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

1.2 Robot công nghiệp và ứng dụng

Từ khi mới ra đời Robot công nghiệp được ứng dụng nhiều trong mọi lĩnh vực dưới góc độ thay thế con người Nhờ vậy dây chuyền sản xuất được tổ chức lại , năng suất và hiệu quả tăng lên rõ rệt

Robot công nghiệp có khả năng chương trình hóa linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị số bặc tự do của chúng Được ứng dụng nhiều trong các ngành: hàn, lắp ráp, gia công cắt gọt, phun phủ, rót kim loại

Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào các khả năng to lớn của robot như:

+ Làm việc không biết mệt mỏi

+ Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo

+ Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao

+ Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà

dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn

1.3 Robot hàn hồ quang

Trong ngành công nghiệp sản xuất thì hàn đóng vai trò quan trọng ,ví dụ như ngành công nghiệp ô tô xe máy , đóng tàu, Vì vậy số lượng Robot hàn được thay thế các Robot hàn khác rất nhiều , sở dĩ có được điều này là do tính năng vượt trội khi hàn bằng Robot như sau:

- Có tính tự động cao và năng suất cao

- Có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp

- Chất lượng mối hàn tốt và tính thẩm mỹ cao

- Có thể thực hiện các thao tác lặp đi, lặp lại liên tục

- Giải phóng người lao động khỏi tác động có hại khi hàn -Giảm được thời gian chu kỳ làm việc

Ngoài khả năng như trên Robot hàn hồ quang Almega AII là Robot hàn mới nhất lập trình linh hoạt và tiện lợi đặc biệt có khả năng kết nối với máy tính đảm bảo tính chính xác cho quá trình hàn Khả năng kết nối máy tính cho phép điều khiển phối hợp chuyển động của robot và đồ gá di động theo chương trình một cách thuận lợi, nâng cao khả năng công nghệ của robot

Ngày nay công nghiệp phát triển các chi tiết hàn yêu cầu độ chính xác cao và độ thẩm mỹ cao nên việc sử dụng robot hàn là rất cần thiết Để nâng cao khả năng công nghệ, nâng cao năng suất lao động, giảm thời gian gia công việc Giải pháp đưa ra là thiết kế đồ gá linh hoạt mang chi tiết gia công kết hợp với robot mang dụng cụ tạo thành một hệ robot

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN MÔ HÌNH

2.1 Cơ sở tính toán khảo sát robot hàn

2.1.1 Biểu diễn điểm trong không gian

Robot nói chung có cấu trúc động học là một hệ nhiều vật, gọi là khâu(link), kết nối với nhau bởi các khớp (joint) Thông thường các khâu của robot có thể được xem là vật rắn ( tuyệt đối) khi khảo sát và tính toán

Cơ sở để khảo sát robot hàn trước hết cần nghiên cứu định vị các điểm và vật thể trong không gian Để xác định vị trí của điểm hoặc vật thể trong không gian, người ta thiết lập một hệ qui chiếu ( hệ tọa độ) cố định

2.1.2 Ma trận cosin chỉ hướng, ma trận quay

2.1.3 Vị trí, hướng của vật rắn

2.1.4 Phép biến đổi tọa độ thuần nhất

2.1.5 Phương pháp Denavit- hartenberg (D-H)

2.2 Thiết lập phương trình động học robot

2.2.1 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 0A n

biểu diễn trạng thái khâu thao tác có thể xác định được từ cấu trúc động học của robot

2.2.2 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác

2.2.3 Phương trình động học robot

Phương trình động học robot nhận được trong dạng ma trận như sau:

) ( )

0A n q A n t (2.2.6)

2.2.4 Bài toán động học thuận về vị trí của robot

2.2.5 Bài toán động học ngược về vị trí của robot

2.3 Bài toán động học robot hàn Almega AII khi vật hàn cố định

Động học nghiên cứu chuyển động nhưng không xét đến

các lực hoặc các mômen gây ra chuyển động Động học xét đến vị trí, vận tốc, gia tốc và các đạo hàm cấp cao của các biến vị trí theo thời gian hoặc theo các biến khác Do đó động học chỉ đề cập các tính chất hình học và thời gian của chuyển động

Vì vậy để dẫn động robot đảm bảo mỏ hàn bám theo mối hàn, biểu diễn hình dạng của đường cong hàn ta sử dụng một tam diện vuông của đường cong hàn là hệ tọa độ ba trục vuông góc   f f f có gốc đặt tại điểm thuộc đường cong hàn

1- Vật hàn,

2- Mối hàn,

3- Đường cong quỹ đạo hàn,

4- Đầu mỏ hàn,

k k k

   : Tam diện trùng theo của đầu hàn

i i i

f f f

   : Tam diện trùng theo của quỹ đạo hàn

f f f

   : Tam diện của đường hàn

Ma trận D-H xác định vị trí và hướng của   f i f i f i đối với

hệ tọa độ nền của robot là 0Af i, ta có:

z* o

y* o

0* o

x* o

z o

y o

y1

x1

z1

x2 x'3

q3

x3 x'4

z3

q4

q1

q2

z4

z5

x4

x5

q5

z6

y6

x6

x'5

q6

Khâu 6

Khâu 5

Khâu 4

Khâu 3

Khâu 2

Khâu 1

Khâu 0

x o

x'1

x'2

z2

( ) ( )

1

d

T

O





(2.3.4)

Hình 2.11

2.4 Tính toán khảo sát động học robot hàn Almega AII khi vật hàn gắn trên đồ gá di động.

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT HÀN ALMEGA

AII VÀ ĐỒ GÁ DI DỘNG 3.1 Thiết kế đồ gá di động

3.1.1 Công dụng của đồ gá

Trong một số trường hợp gia công các sản phẩm có biên dạng phức tạp, độ chính xác ngày càng cao thì robot cần phải có sự khéo léo, linh hoạt, tránh được va chạm, tránh các giới hạn khớp, hoặc tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động, tối

ưu về momen thì robot 6 bậc tự do khó có thể đáp ứng được Để giải quyết vấn đề này, ta phải lựa chọn theo hướng phát triển robot có 6 bậc tự do lớn hơn 6 hay robot có số bậc tự do lớn hơn số tọa độ khâu thao tác

3.1.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc động học cho đồ gá

Với nhiệm vụ thiết kế đồ gá cho robot Allmega AII Đồ

gá có thể lựa chọn theo cấu trúc chuỗi

3.1.3 Mẫu mô hình đồ gá

Hình 3.4

3.2 Tính toán thiết kế các bộ truyền động 2.1 Lựa chọn động cơ

3.2.2 Tính toán bộ truyền cho đồ gá

3.2.3 Tính chọn ổ

3.2.4 Phân tích lựa chọn phôi

3.2.5 Phân tích công nghệ trong kết cấu chi tiết

a Các chi tiết dạng trục

b Các chi tiết dạng tầm

c Các chi tiết dạng bạc

3.2.6 Thiết kế các bản vẽ chế tạo

3.2.7 Kiểm nghiệm độ bền của đồ gá bằng phần mềm COSMOSWorks

a Giới thiệu về phần mềm COSMOSWorks

b Tính ứng suất, chuyển vị và sức căng của một số chi tiết điển hình

Ta có thể đặt các thuộc tính cho chi tiết:

- Vật liệu

- Mối quan hệ giữa các chi tiết : ghép ren, ghép có độ dôi

- Đặt phương chiều các lực và moomen xoắn lên chi tiết từ

đó xác định được chuyển vị, ứng suất, sức căng, hệ số an toàn

Hình 3.15 Chuyển vị của tấm gá động cơ

3.3 Mô phỏng hoạt động của robot hàn Almega AII

3.3.1.Phần mềm ứng dụng

Phần mềm mô phỏng Visual C++ dùng để thực hiện việc mô phỏng mô hình chuyển động cho hệ robot trên máy tính Mô hình hệ robot trong SolidWorks hay AutoCad sẽ được chuyển vào thành đối tượng trong Visual C++ Việc chuyển đổi tương quan môi trường làm việc của hai phần mềm SolidWorks và AutoCad là khá dễ dàng vì từ phiên bản SolidWorks 2005 trở lên đã hỗ trợ cho việc chuyển đổi môi trường AutoCad - SolidWorks

Trong môi trường SolidWorks ta xuất file mô phỏng chi tiết sang dạng *.STL Cũng tương tự như cách dùng file *.bdf trên ta cũng phải xây dựng phương thức để đọc file *.STL này và thực hiện vẽ lại mô hình bằng cách sử dụng thư viện

OpenGL Với phương pháp này ta có thể điều chỉnh được độ mịn của chi tiết thông qua các tùy chọn ghi file

3.3.2 Chương trình mô phỏng

Trong môi trường phần mềm solidWorks ta cố gắng vẽ đối tượng có gốc tọa độ trùng với gốc tọa độ vật đã được chọn theo bảng D-H

Hình 3.24 Mô hình đồ gá trong môi trường SolidWorks Ngoài ra SolidWorks cũng cung cấp cho chúng ta chức năng chuyển dịch hệ tọa độ về các vị trí mong muốn trên chi tiết Xuất đối tượng SolidWorks sang file định dạng *.STL

3.3.3 Giao diện chương trình và ứng dụng

Chương trình mô phỏng được thực hiện trong môi trường Visual C++ với ứng dụng của thư viện hàm chuẩn MFC với ứng dụng Single Document Interface – giao diện tài liệu đơn (SDI) Ứng dụng SDI là một ứng dụng tài liệu chỉ có thể làm việc với một kiểu tài liệu tại một thời điểm

Giao diện mô phỏng

Hình 3.27 Giao diện mô phỏng robot hàn hai chi tiết với quỹ đạo hàn là một đường cong không gian

Thao tác với giao diện như sau:

- Khởi tạo chương trình bằng việc nháy chuột vào biểu tượng của chương trình sẽ mở ra biểu tượng của chương trình

- Chọn cấu trúc robot để mô phỏng

Vì chương trình đã được định dạng cho phép mô phỏng một lớp các loại robot do đó có thể chọn cấu trúc robot và đồ gá

để mô phỏng Cách chọn như sau từ cửa sổ “Untitled-aa” của chương trình chọn file “du lieu mo phong robot” cửa sổ file

du lieu mo phong robot hiện lên cho phép chọn đường dẫn để

mở file lưu dữ liệu mô phỏng cấu trúc robot (chọn robot_2) rồi ấn open hình 3.28, sau đó chọn chọn file dữ liệu liên quan đến quá trình công nghệ để mô phỏng vào cửa sổ

“Untitled-aa” của chương trình chọn file “du lieu cau truc robot” cửa sổ file du lieu mo phong robot hiện lên cho phép chọn đường dẫn để mở file lưu dữ liệu cấu trúc robot (chọn Moi han_2) rồi ấn open hình 3.29

Để chạy chương trình ấn nút “Run”, ngừng chương trình ấn

“pause” khi chạy chương trình giao diện giống như hình 3.27, để được như vậy đồ gá phải thực hiện 2 chuyển động quay, quay quanh trục y và quay quanh trục z để đảm bảo rằng robot hàn hết đường hàn, để chứng minh điều này tác giả giới thiệu một đoạn video mô phỏng hoạt động của đồ gá

và robot như sau:

Video 1:

Video 2:

Hình 3.28 Giao diện chọn file “du lieu mo phong robot”

Hình 3.29 Giao diện chọn file “du lieu cau truc robot”

KẾT LUẬN CHUNG

- Như vậy luận văn đã đưa ra được tính cấp thiết của đề tài là khi dùng đồ gá hàn thì robot hàn có thể hàn được các chi tiết

có chiều dài quá lớn, đặc biệt các sản phẩm có biên dạng phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao Khi hàn không phải thay đổi vị trí của robot hàn tiết kiệm thời gian, cho năng suất và hiệu quả kinh tế cao

- Luận văn đã thiết kế được đồ gá có 2 khả năng chuyển động

mở rộng khả năng công nghệ cho robot

- Luận văn đã tính toán động học cho hệ robot (đồ gá và robot)

+ Đưa ra bài toán động học tổng quát khi robot hàn chi tiết có chiều dài lớn

+ Đưa ra bài toán động học tổng quát khi robot hàn chi tiết có biên dạng hàn phức tạp

- Đã kiểm nghiệm bền đồ gá trên phần mềm SolidWorks

- Đã chạy mô phỏng khi hàn một số trường hợp trên phần mềm Visual C++

Luận văn thiết kế được đồ gá mang chi tiết có thể tăng 2 khả năng công nghệ cho hệ robot, mở rộng khả năng công nghệ cho robot hàn hồ quang ALLMEGA AII có thể hàn được các đường hàn dài, đường cong không gian phức tạp

mà robot không thể với tới và thực hiện được

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 PGS.TS Đào Văn Hiệp Kỹ thuật robot

2 GS.TSKH Nguyễn Thiện Phúc Robot và thế giới công nghệ cao của bạn

3 PGS.TS Phan Bùi Khôi Bài giảng tính toán thiết kế robot Trường ĐHBKHN, 2010

4 Phan Bùi Khôi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh

“Tính toán động học robot hàn có nền di động” Tuyển tập công trình hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ VIII Hà Nội, ngày 6-7/12/2007

5 Nguyễn Trọng Hiệp Chi tiết máy tập 1,2 NXB Giáo dục, Hà Nội 2001

6 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển “Tính toán dẫn động cơ khí tập 1,2 NXB Giáo dục, Hà Nội 2006

7 Đào Chi Lăng: Solidworks- COSMOSWorks Bản dịch từ Solidworks Tutorials

8 Sciavicco L., Siciliano B, Modelling and Control of Robot Manipulators, Springer, London 2004

9 David G Ullman, The Mechanical Design Process,

Mc Graw Hill 2003

10 Lung Wen Tsai Robot Analysis, The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators John Willey & Sons, New York/Toronto/ 505 pag 1999

11 John J Craig Introduction to Robotics, Mechanics and Control 3rd Edition, Pearson 400 pag 1989

12 Sicilianno B, Khatib O, Springer Hanbook of Robotics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008

13 Grote, Antonsson, Springer Hanbook of Mechanical Engineering, Springer 2009