Nghiên cứu, khảo sát và khai thác sử dụng đồ gá hàn tự động linh hoạt

- Hay một số loại ĐGH tự động linh hoạt sử dụng phối hợp với rô bốt hay tay hàn tự động để hàn các kết cấu hàn phức tạp với các điểm, đường hàn có sự thay đổi thường xuyên về vị trí và h

Tên đề tài luận văn:

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT VÀ KHAI THÁC SỬ DỤNG

HÀ NỘI - 2013

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những gì mà tôi viết ra trong luận văn này là do sự tìm hiểu

và nghiên cứu của bản thân Nội dung nghiên cứu trong luận văn là kết quả của quá trình học tập nghiêm túc của tác giả dưới sự chỉ bảo nhiệt tình và tâm huyết của Thầy giáo hướng dẫn

Luận văn này cho đến nay vẫn chưa hề được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sỹ nào ở trong và ngoài nước và chưa được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan trên đây

Hà Nội, ngày 23 tháng 09 năm 2013 Tác giả

DƯƠNG THÀNH HƯNG

3

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bầy tỏ lòng biết ơn chân thành:

Thầy hướng dẫn: GVC, TS Nguyễn Ngọc Thành đã tận tình chỉ bảo và hướng

dẫn tác giả hoàn thành luận văn này

Bộ môn Hàn – CNKL, Viện cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho việc học tập và nghiên cứu của tác giả hoàn thành đúng thời hạn

Gia đình và đồng nghiệp đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày 23 tháng 09 năm 2013

Tác giả

DƯƠNG THÀNH HƯNG

MĐRP - Hệ thống: Máy hàn - Đồ gá - Rô bốt - Phôi

BTT – Bài toán thuận

BTN – Bài toán ngƣợc

KCPT – Kết cấu phức tạp

5

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa……….… 1

LỜI CAM ĐOAN……… ………… 2

LỜI CẢM ƠN……… 3

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN……… 4

MỞ ĐẦU……….…… 8

CHƯƠNG 1 - MỘT SỐ KHÁI NIỆM, ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN VỀ ĐỒ GÁ, ĐỒ GÁ HÀN, ĐỒ GÁ HÀN TỰ ĐỘNG LINH HOẠT 1.1- khái niệm và đặc điểm cơ bản về đồ gá……….… 10

1.1.1- Khái niệm cơ bản về đồ gá trong sản xuất TĐH cơ khí …….….… 10

1.1.2- Đặc điểm cơ bản của đồ gá trong sản xuất TĐH cơ khí ………… 10

1.2- Khái niệm cơ bản về đồ gá hàn ……….…….… 11

1.2.1- Đặc điểm cơ bản khi gia công, chế tạo sản phẩm kết cấu hàn …… 11

1.2.2- Đồ gá hàn ……… ………… 11

1.3- Đồ gá hàn tự động, đồ gá hàn tự động linh hoạt ……… … 12

1.3.1- Đồ gá hàn tự động ……….……… 12

1.3.2- Đồ gá hàn tự động linh hoạt ……… ……… 12

1.3.3- Ứng dụng của đồ gá hàn ……… 12

1.4- Ý nghĩa của việc sử dụng ĐGH trong sản xuất, xu hướng ……… 26

1.4.1- Về kỹ thuật ……… … ……… 26

1.4.2- Về hiệu quả kinh tế và tổ chức quản lý sản xuất ……… 27

1.4.3- Xu hướng phát triển ……… ……… 27

1.5- Kết luận ……… ………… 28

CHƯƠNG 2 - ĐỘNG HỌC ĐỒ GÁ HÀN TỰ ĐỘNG LINH HOẠT 2.1- Mở đầu ……… ………….… 29

2.2- Một số dạng đường hàn cơ bản khi hàn hồ quang ……….….…… 29

6

2.2.1- Đường thẳng ……… …… 29

2.2.2- Đường cong ……… 31

2.2.3- Thông số kỹ thuật khi hàn theo các dạng quỹ đạo ……….……… 32

2.3- Bài toán động học rô bốt ……… … …… 35

2.3.1- Xây dựng hệ tọa độ ……… ……… …… 35

2.3.2- Bài toán thuận ……… ……… …… 38

2.3.3- Bài toán ngược ……… …… …… 40

2.4- Động học hệ thống Rô bốt - Đồ gá hàn ……… …….……45

2.4.1- BTN hệ Rô bốt – Đồ gá hàn đường thẳng ……… … … 45

2.4.1- BTN hệ Rô bốt – Đồ gá hàn đường tròn ……….…… … 47

2.4.1- BTN hệ Rô bốt – Đồ gá hàn đường elip ……….…… … 49

2.5- Kết luận ……… ……… … 51

CHƯƠNG 3 - THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ĐỒ GÁ HÀN TỰ ĐỘNG LINH HOẠT 3.1- Đặt vấn đề ……… 53

3.2- Quy trình công nghệ hàn tự động; thuật toán điều khiển và mô phỏng động học hệ Rô bốt - Đồ gá hàn đường thẳng … … 53

3.2.1- Quy trình công nghệ hàn đường thẳng ……… …… 53

3.2.2- Thuật toán và chương trình điều khiển động học ……… … 54

3.2.3- Kết quả mô phỏng kết cấu và điều khiển động học hệ R - Đ…… 60

3.3- Quy trình công nghệ hàn tự động; thuật toán điều khiển và mô phỏng động học hệ Rô bốt - Đồ gá hàn đường tròn …… … 62

3.3.1- Quy trình công nghệ hàn đường tròn ……… …… 62

3.3.2- Thuật toán và chương trình ……… … 65

3.3.3- Kết quả mô phỏng kết cấu và điều khiển động học hệ R - Đ…… 68

3.4- Quy trình công nghệ hàn tự động; thuật toán điều khiển và mô phỏng động học hệ Rô bốt - Đồ gá hàn đường Elip …… … 70

3.4.1- Xây dựng quy trình công nghệ hàn đường Elip ………….…….… 70 3.4.2- Thuật toán và chương trình điều khiển động học hàn đường Elip…73

7

3.4.3- Kết quả mô phỏng kết cấu và điều khiển động học hệ R - Đ…… 76

3.5- Kết luận chương 3 ……… … 79

CHƯƠNG 4 - ỨNG DỤNG CỦA ĐỒ GÁ HÀN TỰ ĐỘNG LINH HOẠT 4.1- Đặt vấn đề 80

4.2- Một số nghiên cứu ứng dụng ĐGH tự động linh hoạt 81

4.2.1- Ứng dụng ĐGH tự động linh hoạt trong hệ R - Đ – P hàn kết cấu ống tiết diện chữ nhật ……… ………… 81

4.2.2- Ứng dụng ĐGH tự động linh hoạt trong hệ R - Đ – P hàn kết cấu phức tạp ……… ……… 88

4.3- Kết luận chương 4 97

KẾT LUẬN ……….……… 97

ĐỀ NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ……… ……… 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… …… 99

8

MỞ ĐẦU

Trong quá trinh gia công, chế tạo, lắp ráp các sản phẩm cơ khí, đồ gá là một loại trang thiết bị cơ bản, quan trọng của quá trình này Hiệu quả khai thác, sử dụng các máy gia công cơ khí được tận dụng tối đa khi sử dụng đồ gá; khả năng công nghệ trên các thiết bị, máy gia công với đồ gá sẽ tăng lên gấp nhiều lần Hơn nữa, đồ

gá còn giúp nâng cao năng suất, ổn định chất lượng gia công sản phẩm cơ khí (độ chính xác, cơ tính bề mặt, độ nhám bề mặt, v.v.); tăng năng suất, cải thiện điều kiện

và môi trường làm việc cho người thợ, máy móc, thiết bị

Đồ gá dùng trong công nghệ hàn (ĐGH) là một dạng của đồ gá cơ khí, ngoài những đặc điểm cơ bản và hiệu quả như đồ gá cơ khí, ĐGH còn có những đặc điểm riêng do đặc thù của công nghệ hàn quyết định (xem Chương 1)

Các quá trình TĐH trong sản xuất hàn hiện sử dụng rất nhiều loại ĐGH khác nhau và đã đạt được những hiệu quả nhất định Tuy nhiên, vẫn còn một số loại ĐGH

tự động chưa được khai thác, sử dụng một cách hiệu quả Ví dụ:

- Một số loại ĐGH chuyên dùng có kích cỡ rất lớn (chuyên để hàn các loại kết cấu hàn siêu trường, siêu trọng Nguyên nhân chủ yếu do số lượng các loại kết cấu hàn này thường không nhiều; vì vậy, mỗi khi ứng dụng ĐGH chuyên dùng có kích

cỡ rất lớn cho những kết cấu hàn có kích thước, khối lượng nhỏ hơn, thì các nhà chuyên môn còn lúng túng, mất khá nhiều thời gian và gặp không ít khó khăn trong việc thiết kế điều chỉnh, bổ sung thêm các trang bị, dụng cụ phụ cho đồ gá)

- Hay một số loại ĐGH tự động linh hoạt (sử dụng phối hợp với rô bốt hay tay hàn tự động để hàn các kết cấu hàn phức tạp với các điểm, đường hàn có sự thay đổi thường xuyên về vị trí và hướng hàn, v.v.), hiệu quả sử dụng còn hạn chế; nguyên nhân chủ yếu do việc đầu tư hệ thống hàn không đồng bộ (đầu tư rô bốt nhưng không đầu tư đồng bộ ĐGH tự động linh hoạt đi kèm và ngược lại - đầu tư ĐGH tự động linh hoạt nhưng không đầu tư kèm theo rô bốt) Đến khi cơ sở sản xuất (kể cả nhiều cơ sở đào tạo) có điều kiện (kinh phí) để đầu tư „„đồng bộ” thì phần mềm điều khiển tổng hợp Rô bốt - ĐGH lại không có, điều này dẫn đến sự lúng túng, ”bó tay” của các nhà chuyên môn

9

Vấn đề cơ bản để tháo gỡ sự lúng túng, ”bó tay” nêu trên là việc giải quyết bài toán điều khiển động học cả hệ thống Rô bốt - ĐGH, từ đó làm cơ sở thiết kế chương trình điều khiển tổng hợp hệ thống này

Xuất phát từ nhu cầu đó, trong luận văn, tôi được giao nhiệm vụ:

„„Nghiên cứu, khảo sát và khai thác sử dụng đồ gá hàn tự động linh hoạt‟‟

Để có thể hoàn thiện được đề tài này, về mặt chuyên môn, tôi tập trung vào tìm hiểu một số nội dung và giải quyết một số vấn đề chủ yếu sau:

- Tìm hiểu một số khái niệm, định nghĩa cơ bản về: ĐGH tự động linh hoạt; hệ thống hàn tự động

- Giải bài toán điều khiển động học hệ thống Rô bốt - ĐGH tự động linh hoạt

- Xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng hệ thống trên

- Một số ví dụ ứng dụng

Trong quá trình hoàn thiện luận văn, ngoài nỗ lực, cố gắng của bản thân, tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo và các cán bộ trong Bộ môn Hàn - CNKL, Viện Cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và trang

bị những kiến thức cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại Bộ môn

Tác giả đặc biệt cảm ơn thầy giáo GVC, TS Nguyễn Ngọc Thành là người đã trực

tiếp hướng dẫn tận tình tác giả để hoàn thiện đề tài luận văn này

Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã vận dụng những kiến thức đã học

và tìm hiểu qua các tài liệu chuyên ngành liên quan Do những hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm và thời gian nên quá trình hoàn thiện không tránh khỏi những sai xót Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô và Đồng nghiệp để

đề tài được hoàn chỉnh hơn

Hà Nội, ngày 23 tháng 09 năm 2013

Tác giả

DƯƠNG THÀNH HƯNG

10

CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM, ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN VỀ

ĐỒ GÁ, ĐỒ GÁ HÀN, ĐỒ GÁ HÀN TỰ ĐỘNG LINH HOẠT

1.1- Khái niệm và đặc điểm cơ bản về đồ gá

1.1.1- Khái niệm cơ bản về đồ gá trong sản xuất TĐH cơ khí

Trong sản xuất cơ khí tự động hóa (TĐH), đồ gá là một trong những trang thiết

bị quan trọng của hệ thống công nghệ (Máy - Đồ gá - Dụng cụ - Phôi); dùng để gá lắp (định vị và kẹp chặt) phôi, bán thành phẩm hay cụm phôi, cụm bán thành phẩm trên các máy móc, thiết bị gia công cơ khí (máy công cụ, máy gia công áp lực, máy

và thiết bị hàn, v.v.); phục vụ quá trình gia công các chi tiết máy hay cụm chi tiết, v.v được gá lắp nêu trên Khi sử dụng đồ gá, khả năng công nghệ trên các máy gia công được mở rộng; năng suất, chất lượng tăng; độ chính xác gia công chi tiết ổn định Ngoài ra, vấn đề an toàn cho thợ, cho thiết bị máy móc được bảo đảm; cải thiện đáng kể điều kiện và môi trường làm việc

1.1.2- Đặc điểm cơ bản của đồ gá trong sản xuất TĐH cơ khí

Đồ gá trong sản xuất TĐH cơ khí có những đặc điểm cơ bản sau:

- Cơ cấu định vị được thiết kế chuẩn hoá, các mặt định vị được chế tạo bảo đảm độ chính xác cao về hình dáng hình học và kích thước; chất lượng bề mặt cao,

cơ tính tốt bảo đảm độ tin cậy và tuổi thọ theo yêu cầu; phôi được định vị nhanh chóng, thuận tiện

- Cơ cấu kẹp được thiết kế theo các nguyên lý đơn giản, tin cậy và độ cững vững cao; tháo/lắp nhanh và thuận tiện (cơ cấu cam lệch tâm, cơ cấu phẳng hệ thanh nhiều khâu, khớp, cơ cấu xi lanh lanh khí nén, v.v.)

- Sử dụng hệ truyền dẫn cơ khí, khí nén, điện hoặc kết hợp

- Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật, công nghệ, hiện nay - đồ gá đã được cải tiến nhiều về cấu trúc động học với số bậc tự do tăng lên, nhằm đáp ứng nhanh

và linh hoạt mỗi khi vị trí và hướng gia công trên phôi thay đổi, hạn chế tối đa việc

11

phải tháo/lắp phôi khi gia công, do đó tăng độ chính xác, giảm số nguyên công, bước gia công, dẫn đến tăng năng suất, hiệu quả kinh tế Những loại đồ gá như vậy

có tên gọi là Đồ gá Tự động linh hoạt, đã được định nghĩa trong [3]

1.2- Khái niệm cơ bản về đồ gá hàn

1.2.1- Đặc điểm cơ bản khi gia công, chế tạo sản phẩm kết cấu hàn

Các sản phẩm kết cấu hàn khi gia công, chế tạo có những đặc điểm cơ bản sau :

- Việc gá lắp phôi hoàn toàn theo nguyên tắc: định vị, kẹp chặt như khi gia công cơ khí

- Lực tác động của dụng cụ gia công lên phôi trên các máy cơ khí nói chung và trên các máy cắt gọt nói riêng là rất lớn; nhưng trong hàn hồ quang, lực tác động trực tiếp lên phôi là không đáng kể - chỉ là áp lực từ ngọn lửa hồ quang lên bề mặt phôi Vì thế việc kẹp chặt phôi khi hàn nhiều khi được sử dụng bằng các cữ chặn

hoặc hàn đính hoặc “tự kẹp” (do chính trọng lượng bản thân vật hàn tạo ra)

- Những trường hợp hàn các kết cấu quan trọng, cần độ chính xác cao và để

chống lại biến dạng do nhiệt, khi đó cần phải sử dụng các cơ cấu kẹp cơ khí hoặc

kết hợp kẹp cơ khí - khí nén

- Quá trình kẹp phôi có thể diễn ra ở trạng thái “kẹp tĩnh” (giữa bộ phận kẹp của đồ gá và phôi không có chuyển động tương đối); hay ở trạng thái “kẹp động”

(giữa bộ phận kẹp của đồ gá và phôi có chuyển động tương đối)

- Hình dạng, kết cấu, kích thước ĐGH cũng rất đa dạng, phong phú, phụ thuộc vào hình dạng, kết cấu, kích thước và khối lượng sản phẩm hàn

1.2.2- Đồ gá hàn

Xuất phát từ khái niệm cơ bản về đồ gá cơ khí, ĐGH được xem như là một loại

đồ gá cơ khí đặc biệt dùng để gá lắp phôi hay cụm phôi khi hàn ĐGH có đủ các đặc điểm cơ bản của đồ gá cơ khí Tuy nhiên, do đặc thù của công nghệ hàn và sản phẩm kết cấu hàn mà ĐGH có những đặc điểm riêng (xuất hiện trong và sau quá trình hàn) Những đặc điểm này được trình bày trong các mục dưới đây

12

1.3- Đồ gá hàn tự động, đồ gá hàn tự động linh hoạt

1.3.1- Đồ gá hàn tự động

Đồ gá hàn tự động là những đồ gá được thiết kế làm việc phối hợp với các thiết

bị hàn tự động (máy hàn, rô bốt hàn hay các tay hàn tự động) thành một hệ thống

hàn tự động, hay còn gọi là Hệ thống công nghệ hàn tự động, gồm có: Máy hàn -

Đồ gá hàn - Rô bốt hàn - Phôi Các chuyển động của đồ gá được thiết kế làm việc

ở hai chế độ: bằng tay hoặc tự động Phôi hàn lắp trên các đồ gá này phải đạt độ chính xác nhất định nhằm bảo đảm độ chính xác gá lắp; đồng thời các thao tác khi hàn có chuyển động quỹ đạo, chuyển định hướng (các thông số động hình học) của

mỏ hàn sẽ bảo đảm được điều khiển theo yêu cầu ĐGH tự động còn được chia ra hai loại: ĐGH tự động chuyên dùng và ĐGH tự động mềm

Đồ gá hàn tự động chuyên dùng - là loại đồ gá mà chuyển động của phôi gá

lắp trên đồ gá (cơ cấu gá lắp trên đồ gá là khâu chấp hành cuối của đồ gá) được thực hiện do điều khiển các động cơ điện dẫn động Các thông số chế độ hàn được đặt trước và điều khiển tự động

Đồ gá hàn tự động vạn năng trong hệ thống: Máy hàn - Đồ gá - Rô bốt - Phôi (hệ thống MĐRP) là loại đồ gá mà chuyển động của phôi gá lắp trên đồ gá được

điều khiển phối hợp với các thao tác hàn của rô bốt và với quá trình điều khiển tự động các thông số chế độ hàn Toàn bộ quy trình công nghệ hàn được điều khiển tự động bởi chương trình được lập trước

1.3.2- Đồ gá hàn tự động linh hoạt

Khái niệm về ĐGH tự động linh hoạt đã được trình bày trong [3], là đồ gá hàn

tự động vạn năng ở mức độ cao; loại đồ gá này, phôi được gá lắp trên một đồ gá

đặc biệt, đó là rô bốt hoặc bằng cách ghép nối tổ hợp từ một số ĐGH vạn năng lại Bằng loại đồ gá này, có thể hàn được các kết cấu phức tạp, hướng hàn luôn thay đổi, đường hàn có dạng phức tạp, điểm hàn ở các vị trí khó hàn Tuy nhiên, khái niệm

này - chúng tôi điều chỉnh, bổ sung như sau: ĐGH Tự động linh hoạt là đồ gá hàn tự động vạn năng ở mức độ cao; loại đồ gá này thường có ít nhất 02 bậc tự do Vì vậy,

hoàn toàn có thể dùng rô bốt phỏng sinh 06 bậc tự do làm ĐGH TĐ linh hoạt (thực

13

tế, loại ĐGH đặc biệt này đã được ứng dụng rất có hiệu quả tại các nước công nghiệp hiện đại); hoặc bằng cách ghép nối tổ hợp từ một số ĐGH vạn năng lại để tăng số bậc tự do, do đó tăng mức độ linh hoạt của đồ gá

Khi sử dụng ĐGH TĐ linh hoạt, việc hàn các kết cấu phức tạp, hướng hàn luôn thay đổi, đường hàn có dạng phức tạp, điểm hàn ở các vị trí khó hàn - sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà chỉ cần một lần gá lắp, dẫn đến năng suất, chất lượng (độ chính xác) khi hàn rất cao

Một hạn chế của ĐGH TĐ linh hoạt là phạm vi kích thước và khối lượng kết cấu hàn hạn chế, chỉ thích hợp với những kết cấu có kích thước và khối lượng từ trung bình trở xuống Trong các dây chuyền sản xuất tự động linh hoạt hay các mô đun hàn tự động, việc ứng dụng ĐGH TĐ linh hoạt là không thể thiếu được và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất hàn và sản xuất cơ khí

Hình 1.1 - Đồ gá hàn tự động vạn năng

14

b- Đồ gá hàn tự động chuyên dùng

Hình 1.2 mô tả ĐGH tự động chuyên dùng với cơ cấu định vị và kẹp động

bằng các con lăn kết hợp truyền động điện (để dẫn động) và thuỷ lực (để kẹp) Hệ thống này đang hàn kết cấu dầm chữ I Chuyển động của dầm chữ I do đồ gá thực hiện bằng việc điều khiển động cơ điện dẫn động các con lăn nằm ngang Các thông

số chế độ hàn được đặt trước và điều khiển tự động

Hình 1.2- Đồ gá hàn tự động chuyên dùng

Hình 1.3 đưa ra ĐGHTĐ chuyên dùng hàn kết cấu giáp mối nối dài các ống

đường kính lớn, dùng cơ cấu định vị bằng khối “V động” (hệ thống các con lăn)

Hình 1.3- Đồ gá hàn tự động chuyên dùng

15

Chuyển động của cả đoạn ống thực hiện bằng việc điều khiển động cơ điện dẫn động các con lăn Các thông số chế độ hàn được đặt trước và điều khiển tự động Khi độ dài các đoạn ống tăng lên, người ta nối ghép liên tiếp từng đồ gá này lại Các con lăn được thiết kế tự lựa để tỳ sát vào bề mặt ống (khi đường kính ống thay đổi) bảo đảm độ ổn định khi hàn Kết cấu ống này có kích thước, khối lượng lớn, khi hàn không cần cơ cấu kẹp ống mà do trọng lượng bản thân lớn, đủ để giữ ổn định vị trí các ống khi hàn

Hình 1.4 là hệ thống công nghệ hàn tự động bằng ĐGH chuyên dùng, hàn kết cấu dầm chữ I, chữ V khối lượng, kích thước lớn Các kết cấu này được gá lắp cùng

đồ gá với cơ cấu định vị bằng “khối V”, kẹp chặt bằng “tự kẹp” bởi chính trọng lượng bản thân Khi hàn, đầu hàn thực hiện chuyển động hàn hay chuyển động chính (chuyển động “tạo hồ quang” hình thành mối hàn) nhờ điều khiển động cơ

điện dẫn động hệ thống mang thiết bị hàn lắp đầu hàn Thông số chế độ hàn đặt trước và được điều khiển tự động

MĐRP

Hình 1.6- Đồ gá hàn vạn năng bán tự động

17

Hình 1.7 và Hình 1.8 cũng là các loại ĐGH vạn năng bán tự động có chức năng tương tự như ĐGH trên hình 1.6, nhưng kích thước, khối lượng vật hàn nhỏ hơn

Hình 1.7- ĐGH vạn năng bán tự động Hình 1.8- ĐGH vạn năng bán tự động

18

Các loại đồ gá trên hình 1.9 và 1.10, v.v chỉ dùng cho một loại sản phẩm, khi thay đổi hình dáng, kết cấu và kích thước, phải thiết kế lại đồ gá khác Ngoài ra, khi hàn phải kiểm tra thường xuyên, vì loại đồ gá này dễ bị sai lệch kích thước do biến dạng nhiệt và do va đập khi gá lắp

Hình 1.10 - Đồ gá hàn chuyên dùng

Dưới đây giới thiệu thêm một số ví dụ cho thấy ĐGH đang được ứng dụng rất phổ biến trong sản xuất hàn và sản xuất cơ khí Hình 1.11 là ứng dụng của đồ gá tự động chuyên dùng để hàn nối các đoạn ống kích cỡ lớn trong công nghiệp giao thông, xây dựng

Hình 1.11- Ứng dụng ĐGH trong công nghiệp giao thông, xây dựng

19

Hình 1.12 đƣa ra ứng dụng của ĐGH để hàn vỏ thùng ô tô trong sản xuất đơn chiếc, sửa chữa Ví dụ này cho thấy ĐGH - nhiều khi trông rất “thô sơ, đơn giản”, chỉ là những khung, giàn “phẳng” làm “mặt định vị” đáy (mặt phẳng ) thùng ô tô; nhƣng khẳng định nguyên tắc khi thiết kế ĐGH, đó là: tuỳ thuộc vào hình dáng, kết cấu hàn; vào quy mô và điều kiện sản xuất để thiết kế đồ gá phù hợp

20

Hình 1.14 là ứng dụng ĐGH tự động hàn đắp phục hồi bánh nghiền, phục vụ các nhà máy sản xuất xi măng, v.v

Các sản phẩm hàn khi cần độ chính xác cao, với khối lượng, kích thước trung bình trở xuống, hình dạng đường hàn khó bảo đảm khi hàn bằng tay và trong các loại hình sản xuất, người ta thường sử dụng ĐGH tự động làm việc trong hệ thống công nghệ MĐRP

Hình 1.15- Ứng dụng ĐGH tự động hàn đáy xi lanh thuỷ lực

Hình 1.15 đưa ra ứng dụng ĐGH tự động hàn đáy xi lanh thuỷ lực trong hệ MĐRP Chuyển động quay của phôi được điều khiển tự động theo công nghệ hàn lập trình trước

Hình 1.16 thêm ứng dụng hệ thống MĐRP hàn cụm chi tiết máy trong chế tạo

ô tô Chuyển động quay của đồ gá được dẫn động trực tiếp bởi một số loại động cơ (séc vô, động cơ bước hay động cơ xoay chiều ba pha, v.v.), chúng được điều khiển

tự động bằng kỹ thuật CNC, PLC

21

Hình 1.16- Ứng dụng ĐGH tự động hàn cụm chi tiết máy ô tô

Hình 1.17 cho thấy ứng dụng đồ gá quay phân độ hàn cụm kết cấu hộp Các đường hàn trên bốn mặt của cụm kết cấu thực hiện bởi thao tác hàn của rô bốt Khi chuyển sang đường hàn khác, đồ gá được điều khiển tự động quay phân độ (90o

) gián đoạn, dẫn động bằng động cơ liền hộp số Toàn bộ công nghệ hàn điều khiển tự động theo chương trình

Hình 1.17- Ứng dụng ĐGH tự động hàn kết cấu hộp

22

Hình 1.18 đưa ra một ứng dụng nữa

của ĐGH quay phân độ tự động trong hệ

thống rô bốt hàn Đường hàn ở các vị trí

trên cả hai mặt của cụm khung, được rô

bốt thực hiệnkết hợp với chuyển động

quay phân độ (180o) gián đoạn của đồ gá

Hình 1.19 giới thiệu ứng dụng ĐGH

quay phân độ tự động trong hệ thống

nhiều rô bốt hàn Một số đường hàn trên

cụm khung ô tô được hai rô bốt thực hiện

kết hợp với chuyển động quay phân độ

gián đoạn của đồ gá (với nhiều góc phân

độ khác nhau ứng với các hướng hàn

khác nhau) Hình 1.18- Ứng dụng hàn khung

Hình 1.19- Ứng dụng ĐGH quay phân độ TĐ hàn cụm khung ô tô.

23

e- Ứng dụng của đồ gá hàn tự động linh hoạt

Hình 1.20, 1.21 giới thiệu ứng dụng ĐGH tự động linh hoạt để hàn các kết cấu phức tạp (vành ô tô, v.v.) Ở đây sử dụng hai rô bốt, trong đó một rô bốt làm nhiệm

vụ gá lắp phôi, rô bốt còn lại thực hiện thao tác hàn Các sản phẩm khi hàn bằng hệ thống này có hình dáng, kết cấu rất phức tạp và đa dạng; khối lượng, kích thước cỡ trung bình và nhỏ trở xuống Mỗi khi thay đổi sản phẩm, hệ thống này đáp ứng rất nhanh, bằng việc lập lại chương trình trên máy tính

Hình 1.20- Ứng dụng ĐGH tự động linh hoạt hàn vành ô tô

Hình 1.21- Ứng dụng ĐGH tự động linh hoạt

24

Hình 1.22 - Đồ gá hàn tự động linh hoạt

Hình 1.22 minh hoạ thêm việc dùng rô bốt làm ĐGH tự động linh hoạt Trong

hệ thống này, hai rô bốt phối hợp các chuyển động để hàn mọi điểm, đường trên phôi với các hướng hàn khác nhau theo yêu cầu

Các hình tiếp theo từ hình 1.23, v.v., 1.27 là một loạt những ứng dụng của ĐGH tự động linh hoạt Như vậy, trong hệ thống hàn tự động linh hoạt phát triển ở mức độ cao, người ta đã sử hai rô bốt, trong đó một rô bốt đảm nhiệm chức năng hàn, rô bốt còn lại đảm nhiệm chức năng đồ gá Trong [?], những hệ thống như vậy

gọi là hệ MRRP: Máy hàn - Rô bốt gá lắp - Rô bốt hàn - Phôi

Trong hệ MRRP, bất kỳ một kết cấu hàn phức tạp đến đâu, cũng đều có thể hàn được, mà không cần phải thực hiện nhiều lần thay đổi gá lắp phôi (trở phôi), dẫn đến năng suất rất cao, chất lượng ổn định Việc thay đổi chủng loại, mẫu mã sản phẩm rất nhanh

Hình 1.23- ĐGH tự động linh hoạt trong hệ MRRP

25

Hình 1.24- ĐGH tự động linh hoạt trong hệ MRRP

Một đặc điểm cần lưu ý, các kết cấu hàn được lắp ghép với ĐGH trong hệ

MRRP đều được thiết kế thêm mặt lắp ghép tiêu chuẩn, tạo thuận lợi cho việc thay

đổi chủng loại sản phẩm nhanh chóng Các hình đưa ra và hình 1.25; 1.26 thể hiện

rõ điều đó

Hình 1.25 - ĐGH tự động linh hoạt

Hình 1.26 - ĐGH tự động linh hoạt

26

Hình 1.27 giới thiệu ứng dụng ĐGH tự động linh hoạt trong dây chuyền sản xuất tự động linh hoạt với quy mô hàng loạt lớn Trên dây chuyền này, sản phẩm hàn (kết cấu khung vỏ ô tô) được hình thành và hoàn thiện dần qua mỗi nguyên công Mọi điểm, đường hàn trên khung, vỏ với nhiều hướng hàn khác nhau đều do từng rô bốt đảm nhiệm theo chương trình lập trước

Hình 1.27- Ứng dụng ĐGH tự động trong dây chuyền hàn tự động linh hoạt

Qua các ví dụ trên, có thể thấy các ĐGH được thiết kế, chế tạo và ứng dụng trong hầu hết các ngành sản xuất công nghiệp thuộc lĩnh vực cơ khí Tuỳ theo các đặc điểm về hình dáng, kết cấu, kích thước, khối lượng sản phẩm; quy mô và điều kiện sản xuất thực tế mà các ĐGH được thiết kế và ứng dụng một cách phù hợp,

Chất lượng mối hàn đảm bảo được thể hiện theo các chỉ tiêu cơ bản sau:

- Cơ tính (độ bền: uốn, kéo, dai va đập) đạt yêu cầu

27

- Hạn chế được các khuyết tật (bên trong: nứt, rỗ khí, ngậm xỉ; bên ngoài: nứt, lõm co, rỗ co, cháy chân, v.v.) nằm trong phạm vi cho phép

- Các thông số liên kết hàn đạt tiêu chuẩn (hình thức mối hàn đẹp)

Chất lượng sản phẩm hàn đảm bảo được thể hiện theo các chỉ tiêu cơ bản sau:

- Độ chính xác về hình dáng, kích thước, về vị trí tương quan giữa các bề mặt nằm trong phạm vi dung sai cho phép

- Độ bền, độ cứng vững của hệ thống kết cấu hàn nằm trong phạm vi cho phép Các chỉ tiêu trên đảm bảo, sẽ làm cho chất lượng mối hàn, sản phẩm hàn ổn định

1.4.2- Về hiệu quả kinh tế và tổ chức quản lý sản xuất

Việc ứng dụng ĐGH ở mức độ cơ khí hoá, tự động hoá sẽ làm cho năng suất, chất lượng sản phẩm hàn tăng lên, giữ được ổn định chất lượng trong mọi loại hình, quy mô sản xuất; điều kiện và môi trường làm việc của người thợ được cải thiện rõ rệt, v.v dẫn đến chu kỳ sản xuất được rút ngắn, tiết kiệm được thời gian và mọi chi phí cho sản xuất, điều tất yếu là hiệu quả kinh tế tăng lên rõ rệt

Ngoài ra, ứng dụng các ĐGH bán tự động và tự động, sẽ góp phần tác động tích cực đến các nhà quản lý, họ buộc phải thay đổi cách tổ chức, quản lý sản xuất hàn và sản xuất cơ khí Người thợ phải tự điều chỉnh phong cách làm việc sao cho khoa học và theo tác phong công nghiệp

1.4.3- Xu hướng phát triển

Theo [3], ĐGH đang được nghiên cứu, thiết kế phát triển theo các hướng sau:

Phát triển theo chức năng, nhiệm vụ:

- Đồ gá hàn được nghiên cứu thiết kế phát triển theo xu hướng ĐGH vạn năng (dùng cho gá lắp nhiều dạng sản phẩm với các kết cấu, kích thước, khối lượng khác nhau)

- Đồ gá hàn được nghiên cứu thiết kế phát triển theo xu hướng ĐGH chuyên dùng (dùng cho gá lắp các sản phẩm có cùng hình dạng, kết cấu và kích thước nằm trong phạm vi nhất định)

28

Trên cơ sở nghiên cứu, thiết kế phát triển đồ gá theo chức năng, nhiệm vụ, các

nhà chuyên môn tập trung nghiên cứu, thiết kế phát triển sâu vào các mảng sau:

Nghiên cứu, thiết kế tối ưu các dạng cơ cấu truyền dẫn đồ gá, ví dụ: các cơ

cấu truyền dẫn điện - cơ khí, khí nén - cơ khí, thuỷ lực - cơ khí, hay truyền dẫn kết hợp, v.v

Nghiên cứu, thiết kế nâng cao mức độ tự động và tự động hoá linh hoạt của

đồ gá, ví dụ: nâng cao mức tiện lợi, thông minh (linh hoạt) và tin cậy của hệ thống

điều khiển

Tuy nhiên, một xu hướng còn đang ít được quan tâm, đó là việc khai thác sử dụng ĐGH tự động linh hoạt chưa nhiều và ở trong nước, hầu như chưa có cơ sở nào nghiên cứu vấn đề này một cách bài bản, triệt để Đó cũng là nội dung cơ bản và

lý do đưa ra sẽ được giải quyết một phần trong luận văn này

1.5- Kết luận

Trong Chương 1, chúng tôi đã giải quyết một số nội dung cơ bản sau:

- Tìm hiểu một số khái niệm, định nghĩa cơ bản về: ĐGH tự động linh hoạt; hệ thống hàn tự động MRĐP, v.v

- Đưa ra và phân tích hàng loạt ví dụ ứng dụng của ĐGH thủ công, cơ khí, bán

Vì vậy, đề tài nghiên cứu của luận văn này sẽ là:

„„Nghiên cứu, khảo sát và khai thác sử dụng đồ gá hàn tự động linh hoạt‟‟

Những nội dung trong Chương 1 sẽ làm cơ sở cho nghiên cứu các chương tiếp theo

29

CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC ĐỒ GÁ HÀN TỰ ĐỘNG LINH HOẠT

2.1- Mở đầu

Nội dung động học cơ bản của ĐGH tự động linh hoạtchủ yếu nghiên cứu giải quyết bài toán thuận (BTT) và bài toán ngược (BTN) Trong đó, BTT xác định quy luật về vị trí (dạng quỹ đạo), vận tốc đầu mỏ hàn (gá lắp trên khâu chấp hành cuối của rô bốt hàn) khi biết quy luật chuyển động của các khâu chấp hành trung gian và khâu nối giá cố định của ĐGH và của rô bốt khi hàn trong hệ MRRP; còn BTN xác định quy luật chuyển động của các khâu chấp hành trung gian và khâu nối giá cố định của ĐGH và của rô bốt khi biết trước quy luật về vị trí, vận tốc của đầu mỏ hàn khi hàn trong hệ này

Để vận dụng giải bài toán động học gắn với công nghệ hàn (trong luận văn này

- chủ yếu nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn hồ quang: MAG, MIG, v.v.), trước hết cần nắm vững một số kiến thức cơ bản về toán học theo quan điểm kỹ thuật và công nghệ hàn hồ quang bán tự động, tự động

2.2- Một số dạng đường hàn cơ bản khi hàn hồ quang

2.2.1- Đường thẳng: Theo tài liệu tham khảo [4]

Phương trình tổng quát của đường thẳng trong mặt phẳng:

Trong đó:

a, b - các hệ số không đồng thời bằng 0; c- hệ số tự do; x- biến số; y- hàm số Hình 2.1 biểu diễn đường thẳng Δ của phương trình (2.1) Trong đó: a - hệ số góc, atg

30

Các trường hợp đặc biệt của đường thẳng trong mặt phẳng

- Nếu a = 0, phương trình (2.1) trở thành: by + c = 0 hay

- Nếu b = 0 phương trình (2.1) trở thành: ax + c = 0 hay

Hình 2.2- Các trường hợp đặc biệt của đường thẳng trong mặt phẳng

- Nếu c = 0 phương trình (2.1) trở thành: ax + by = 0 khi đó (Δ) đi qua gốc tọa

độ (Hình 2.3, bên trái)

- Nếu a, b, c đều khác 0 ta có thể đưa phương trình (2.1) về dạng:

1 0 0





b

y a

x

; Với

b

c b a

a

c



2 0

1 0

ta z z

ta y y

ta x x

0 1

0

a

z z a

y y a

Trường hợp đặc biệt khi a = b = 0 thì tâm I có tọa độ trùng với gốc tọa độ

Elíp trong không gian phương trình Elíp (2.7) và được thể hiện trên hình 2.6

32

2 2

Khi hàn cần đảm bảo các thông số kỹ thuật sau:

V h - tốc độ hàn; α - góc nghiêng trục mỏ hàn với đường hàn; L h - khoảng cách không đổi giữa đầu điện cực với bề mặt vật hàn

Với đường thẳng bất kỳ, trong mặt phẳng khi biết tọa độ của hai điểm bất kỳ,

sẽ viết được phương trình đường thẳng đi qua hai điểm đó

Hình 2.7 - Rô bốt hàn đường thẳng

Với đường thẳng //Oy - sử dụng khi hàn các mối hàn leo giáp mối (PG - 3Gd

và PF - 3Gu) và hàn leo góc (PG 3Fd và PF - 3Fu)

Hình 2.8 - Rô bốt hàn đường thẳng song song với trục OY

Với đường thẳng //Ox - sử dụng khi hàn các mối hàn bằng giáp mối (PA -

1G), hàn góc ở vị trí hàn lòng thuyền (PA - 1F); hàn góc bằng (PA - 2F); Hàn ngang (PC - 2G) và hàn góc trần (PD - 4F)

34

Hình 2.9 - Rô bốt hàn đường thẳng song song với trục OX

Các đường hàn dạng đường tròn trong mặt phẳng xOy được sử dụng khi hàn

giáp mối ống nằn ngang hàn leo từ trên tụt xuống (PG - 5Gd), hàn leo giáp mối ống hàn từ dưới hàn lên (PF - 5Gu)

Hình 2.10 - Các tư thế hàn ống PG, PF

Hình 2.11 - Rô bốt hàn đường tròn trong mặt phẳng

35

Các đường tròn nằm trên các mặt phẳng đặc biệt: khi hoặc x hoặc y hoặc z = const thì đường tròn nằm trên mặt phẳng song song với các mặt phẳng yOz hoặc xOz hoặc xOy tức là như các trường hợp trong mặt phẳng

Đường hàn dạng elíp trong không gian

Hình 2.12- Đường elíp trong không gian

Khi hàn các đường cong, để bảo đảm các thông số kỹ thuật yêu cầu, hướng trục

mỏ hàn luôn thay đổi (bảo đảm góc nghiêng trục mỏ hàn) sao cho tại mọi điểm hàn, hướng hàn luôn tiếp tuyến với đường cong tại từng điểm hàn trên đường cong đó

2.3- Bài toán động học rô bốt

2.3.1- Xây dựng hệ tọa độ

Theo [1], bài toán động học rô bốt 06 bậc tự do được tóm tắt lại như sau:

Hình 2.13 là sơ đồ động học rô bốt 06 bậc tự do, gồm 06 khâu động (độ dài

mỗi khâu: a 1 , a 2 , a 3 , a 4 , a 5 , d 6) liên kết với nhau bằng 3 khớp bản lề và 3 khớp trụ với 6 toạ độ suy rộng θi, i16 Các hệ toạ độ được thiết lập như sau:

Hệ toạ độ cố định:

- Gốc Oo trùng với tâm của khớp thứ nhất

- Trục O0x0 phương ngang, hướng từ O0 đếnx0 (từ trái sang phải)

36

- Trục O0y0 vuông góc với trục O0x0, hướng của O0y0 là hướng của O0x0 được quay một góc 900

ngược chiều kim đồng hồ

- Trục O0z0 vuông góc với trục O0x0 và O0y0 theo quy tắc tam diện thuận

Vì rô bốt là cơ cấu không gian, mọi tính toán thực hiện trong hệ tọa độ

O0x0y0z0

Các hệ toạ độ động:

Hệ động thứ nhất:

- Gốc O1 trùng với tâm của khớp A

- Trục O1x1 nằm trên đường nối hai tâm khớp O0 và A

- Trục O1y1 vuông góc với trục O1x1 và hướng của O1y1 là hướng của O1x1

- Trục O2x2 hướng theo đường tâm nối tâm của khớp A và khớp B

- Trục O2y2 vuông góc với trục O2x2 và hướng của O2y2 là hướng của O2x2

- Trục O3z3 nằm trên đường nối hai tâm khớp B và tâm bàn tay kẹp C

- Trục O3x3 vuông góc với trục O3z3 và hướng của O3x3 là hướng của O3z3 được quay một góc 900

ngược chiều kim đồng hồ

- Trục O3y3 vuông góc với trục O3x3 và O3y3 theo quy tắc tam diện thuận

Hệ động thứ tư:

- Gốc O4 trùng với của khớp D

- Trục O4x4 hướng theo đường tâm nối tâm của khớp C và khớp D

- Trục O4y4 vuông góc với trục O4x4 và hướng của O4y4 là hướng của O4x4 được quay một góc 900

ngược chiều kim đồng hồ

- Trục O5z5 hướng theo đường tâm nối tâm của khớp D và khớp P

- Trục O5x5 vuông góc với trục O5z5 và hướng của O5x5 là hướng của O5z5 được quay một góc 900

- Gốc O6 trùng với tâm của bàn tay kẹp M

- Trục O6z6 hướng theo đường tâm nối tâm của khớp P và khớp tâm bàn tay kẹp M

2.3.2- Bài toán thuận Cho:

- Quy luật chuyển động các biến khớp (toạ độ suy rộng) theo thời gian: θ1(t);

- Xác định vị trí tâm bàn kẹp (điểm Q) và hướng của trục bàn tay so với hệ tọa

độ cố định theo thời gian?

Theo [1], nội dung và kết quả chủ yếu của BTT như sau:

Các thông số và kích thước động học (hình 2.13):

θ i: là các toạ độ suy rộng mỗi khớp quay của tay máy (i = 16).

di: là khoảng cách ngắn nhất giữa hai pháp tuyến đo trên trục tâm khớp i

ai: là khoảng cách ngắn nhất giữa tâm khớp (chiều dài của khâu)

αi: là góc xoắn của khâu i hay là góc giữa hai trục tâm khớp quay

Lập bảng thông số D-H với các hệ tọa độ đã chọn trên Hình 2.13 như sau:

Bảng 2.1- Thông số DH của rô bốt phỏng sinh 06 bậc tự do

0 0

0

.

1

i i

i

i i i i i

i i

i i i i i i i

i i

d c

s

s a c s c

c s

c a s s s c c

s ,  - viết tắt của sinθi và cosθi

ai- khoảng cách giữa hai tâm khớp trên khâu

di- khoảng cách tịnh tiến giữa các khâu kế tiếp

Từ bảng D-H, xác định đƣợc các ma trận chuyển đổi toạ độ i-1

Ai bằng cách thay các thông số của các khâu vào công thức (2.8a), để cho gọn ta đặt:

z z z z

y y y y

x x x x

Q a o n

Q a o n

Q a o n

) (

) (

2 2 23 3 5

23 5 4 23

1 1 2 1 2 23 1 3 5

4 1 5 23 5 4 23 1

1 1 2 1 2 23 1 3 5

4 1 5 23 5 4 23 1

S a S a C

C C C S

S a C S a C S a S

S C C S C C C S

C a C C a C C a S

S S C S C C C C

) (

) (

) (

) (

) (

) (

) (

6 5 23 6 4 23 6 5 4 23 6

5 23 6 4 23 6 5 4 23

6 5 4 1 6 4 23 6 4 23 6 5 4 23 1 6 4 6 5 4 1 6 5 23 6 4 23 6

S C S S S C C C S

S C S C S S S C S C S C C C S S C C C S C C S S S S C C

C

C

C

C

- Quy luật chuyển động các biến khớp theo thời gian: θ i (t), i = 1 ÷ 6

- Có bao nhiêu bộ giá trị của các θ i (t), i = 1 ÷ 6 thỏa mãn điều kiện của bài

toán (BTN có bao nhiêu nghiệm)

Cũng theo [1], nội dung và kết quả chủ yếu của BTN như sau:

Từ phương trình động học (2.8), nhân liên tục phương trình này với ma trận nghịch đảo, ta được: