Khảo sát độ chính xác robot hàn khung vỏ ô tô

Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: Công nghiệp đóng tầu, công nghiệp ô tô,… Trong ngành Công nghiệp ô tô, Robot được sử dụng để thay thế con người ở những vị t

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chƣa đƣợc công

bố trong bất cứ công trình nào khác Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung

thực

Tác giả luận văn

Phạm Minh Thái

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT THƯỜNG SỬ DỤNG 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

1 Lý do chọn đề tài 9

2 Đối tượng và nội dung nghiên cứu 10

3 Cấu trúc của luận văn 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN 11

1.1 Giới thiệu về Robot 11

1.1.1 Khái niệm về Robot công nghiệp 11

1.1.2 Sự phát triển của Robot công nghiệp 12

1.1.3 Phân loại Robot công nghiệp 14

1.1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp 19

1.1.5 Ứng dụng của Robot trong ngành hàn 23

1.2 Giới thiệu về phương pháp hàn điểm và Robot hàn điểm 26

1.2.1 Phương pháp hàn 26

1.2.2 Phương pháp hàn điểm 28

1.3 Kết luận chương 1 34

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT 35

2.1 Thiết kế mô hình cơ học Robot 35

2.1.1 Thiết kế các khâu của Robot 36

2.1.2 Mô hình 3D, Sơ đồ động học Robot 40

2.2 Thiết lập phương trình động học của Robot 42

2.2.1 Phương pháp xây dựng hệ tọa độ và xác định các tham số động học 42

2.2.2 Xây dựng các hệ tọa độ 43

2.3 Lập phương trình động học 45

2.3.1 Ma trận Denavit-Hartenberg 45

2.3.2 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ tao thao tác 47

2.3.3 Phương trình động học 48

2.4 Giải phương trình động học 49

2.4.1 Bài toán động học thuận 49

2.4.2 Bài toán động học ngược 55

2.5 Kết luận chương 2 66

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT 67

3.1 Nguyên nhân gây ra sai số cho Robot 67

3.2 Mô hình sai số 69

3.3 Khảo sát sai số động học của Robot 71

3.3.1 Cơ sở lý thuyết 71

3.3.2 Bài toán thực tế 74

3.4 Kết luận chương 3 77

KẾT LUẬN 78

PHỤ LỤC 79

1 CODE bài toán động học thuận 79

2 CODE bài toán động học ngược 81

3 CODE chương trình con 83

3.1 Code xây dựng ma trận truyền D-H 83

3.2 Code phương trình động học 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT THƯỜNG SỬ DỤNG

ai Khoảng cách dịch chuyển giữa hai trục khớp động kề nhau

i Góc lệch giữa trục của 2 khớp động liền kề

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg

di Dịch chuyển tịnh tiến giữa giữa hai đường vuông góc chung của 2 trục

qi Góc giữa hai đường vuông góc chung

’i Góc lệch giữa trục của 2 khớp động liền kề khi có sai số

d'i Dịch chuyển tịnh tiến giữa giữa hai đường vuông góc chung của 2 trục

khi có sai số q'i Góc giữa hai đường vuông góc chung khi có sai số

g Vector thông số động học cho tất cả các khâu bao gồm tất cả các sai số ' ( )E g

r Biểu thức mô tả vị trí điểm tác động cuối của Robot khi có sai số

D-H Denavit-Hartenberg

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Các thông số động học Denavit-Hartenberg của Robot 44Bảng 2: Bảng biểu diễn các thông số xác định các hệ tọa độ của các điểm hàn 57Bảng 3: Bảng biểu diễn các thông số xác định các hệ tọa độ của các điểm hàn khi đi

qua điểm trung gian io 58Bảng 4: Bảng các thông số D-H bao gồm các giá trị sai số 70

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1: Robot cấu trúc chuỗi 14

Hình 2: Robot cấu trúc song song 15

Hình 3: Robot hàn điểm sử dụng động cơ servo 15

Hình 4: Robot sử dụng hệ truyền động khí nén 16

Hình 5: Không gian làm việc của Robot toạ độ vuông góc 17

Hình 6: Không gian làm việc của Robot toạ độ trụ 17

Hình 7: Không gian làm việc của Robot toạ độ cầu 17

Hình 8: Robot dùng trong ngành dược phẩm 19

Hình 9: Robot dùng ép phun nhựa 19

Hình 10: Robot dùng trong đóng gói, vận chuyển 20

Hình 11: Robot dùng để làm sạch sản phẩm 21

Hình 12: Robot Hàn 22

Hình 13: Robot lắp ráp sản phẩm 22

Hình 14: Robot hàn hồ quang 23

Hình 15: Robot hàn hồ quang 24

Hình 16: Robot hàn điểm và khâu thao tác 24

Hình 17: Dây chuyền Robot hàn điểm khung vỏ ô tô 25

Hình 18: Phương pháp hàn điểm 29

Hình 19: Phương pháp hàn điểm - điện cực hai phía và điện cực một phía 29

Hình 20: Cấu tạo Robot hàn điểm 32

Hình 21: Cấu tạo đầu mỏ hàn điểm (Spot Welding Gun) 33

Hình 22: Mô hình Robot hàn điểm 35

Hình 23: Khâu 0 36

Hình 24: Khâu 1 37

Hình 25: Khâu 2 37

Hình 26: Khâu 3 38

Hình 27: Khâu 4 38

Hình 28: Khâu 5 39

Hình 29: Khâu 6 39

Hình 30: Mô hình 3D Robot 40

Hình 31: Mô hình dây chuyền hàn khung vỏ ô tô 40

Hình 32: Sơ đồ động học của Robot 41

Hình 33: Các thông số động học của khâu 42

Hình 34: Các hệ tọa độ gắn vào các khâu của Robot 43

Hình 35: Các hệ tọa độ gắn vào dây chuyền Robot hàn khung vỏ ô tô 44

Hình 36: Đồ thị vị trí xE theo thời gian 51

Hình 37: Đồ thị vị trí yE theo thời gian 52

Hình 38: Đồ thị vị trí zE theo thời gian 52

Hình 39: Đồ thị góc α theo thời gian 53

Hình 40: Đồ thị góc β theo thời gian 53

Hình 41: Đồ thị góc  theo thời gian 54

Hình 42: Quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối 54

Hình 43: Các hệ tọa độ gắn vào dây chuyền Robot hàn khung vỏ ô tô 55

Hình 44: Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác 57

Hình 45: Đồ thị biến khớp q1 63

Hình 46: Đồ thị biến khớp q2 63

Hình 47: Đồ thị biến khớp q3 64

Hình 48: Đồ thị biến khớp q4 64

Hình 49: Đồ thị biến khớp q5 65

Hình 50: Đồ thị biến khớp q6 65

Hình 51: Sai lệch vị trí của điểm tác động cuối (Đầu mỏ hàn) 68

Hình 52: Các thông số động học D-H của khâu bao gồm các giá trị sai số 69

Hình 53: Sai lệch vị trí của điểm tác động cuối 71

Hình 54: Đồ thị của XE khi không có sai số và có sai số 74

Hình 55: Đồ thị của YE khi không có sai số và có sai số 75

Hình 56: Đồ thị của ZE khi không có sai số và có sai số 75

Hình 572: Sai lệch vị trí của điểm tác động cuối (Đầu mỏ hàn) 76

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Công nghiệp hóa và hiện đại nền sản xuất là một chủ trương lớn của đất nước chúng ta hiện nay Với xu thế chung của thế giới, để có thể đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa cần ưu tiên áp dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào đời sống sản xuất Trong đó vấn đề quan trọng nhất là phải tăng nhanh lượng tự động hóa vào các quá trình sản xuất công nghiệp Đây cũng là một đòi hỏi cấp bách liên quan đến việc giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc đơn giản nào đó),

sự nguy hiểm của môi trường lao động,… Để có thể khắc phục được các vấn đề vừa nêu, các công ty ở các nước có nền sản xuất phát triển đã đưa các Robot vào các dây chuyền sản xuất của mình Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như: Công nghiệp đóng tầu, công nghiệp ô tô,…

Trong ngành Công nghiệp ô tô, Robot được sử dụng để thay thế con người ở những

vị trí làm việc nặng nhọc, độc hại, lặp đi lặp lại như hàn, sơn, lắp ráp,…Một trong những dây chuyền đươc thay thế con người bằng Robot là dây chuyền hàn khung vỏ

ô tô

Robot hàn khung vỏ ô tô là Robot hàn điểm dạng tay máy có cấu trúc nối tiếp chuỗi hở Một trong những yêu cầu hàng đầu khi ứng dụng Robot là độ chính xác, trước hết là độ chính xác về vị trí và hướng của khâu thao tác để đảm bảo yêu cầu

kỹ thuật của sản phẩm Do cấu trúc nối tiếp chuỗi hở nên độ chính xác của khâu thao tác chịu ảnh hưởng của sai số tích lũy của tất cả các khâu của Robot Việc khảo sát độ chính xác của điểm tác động cuối của Robot hàn khung vỏ ô tô là rất cần

thiết, chính vì vậy, tôi chọn cho mình đề tài “Khảo sát độ chính xác Robot hàn

khung vỏ ô tô”

2 Đối tượng và nội dung nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là Robot hàn điểm dây chuyền hàn khung

vỏ ô tô Robot loại này có: 6 khâu (không kể khâu đế - khâu 0), có 6 bậc tự do, khâu

6 mang đầu hàn điểm (Spot Welding Gun)

Nội dung nghiên cứu là khảo sát bài toán động học thuận, động học ngược và khảo

độ chính xác của Robot

3 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn bao gồm: Phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần kết thúc

Chương 1: “Tổng quan về Robot hàn” Nội dung của chương 1 là giới thiệu

tổng quan về Robot, phân loại và ứng dụng của Robot Công nghiệp; giới thiệu về phương pháp hàn điểm

Chương 2: “Khảo sát động học Robot” Nội dung chủ yếu của chương này lập

các phương trình động học của Robot; giải bài toán động học thuận, bài toán động học ngược

Chương 3: “Khảo sát độ chính xác của Robot” Chương 3 giới thiệu về nguyên

nhân gây nên các sai số của Robot; mô hình sai số và giới thiệu phương pháp khảo sát, tính toán sai số của Robot

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN

1.1 Giới thiệu về Robot

1.1.1 Khái niệm về Robot công nghiệp

Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau:

- Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp:Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

- Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot institute of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

- Theo tiêu chuẩn GHOST 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp là một máy

tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Do đó, Robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn

Với đặc điểm có thể lập trình lại được, Robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt Vì vậy, Robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người

1.1.2 Sự phát triển của Robot công nghiệp

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch “Rossum’s Universal Robots” của Karel Capek, vào năm 1921

Thuật ngữ Industrial Robot (IR) -Robot công nghiệp- xuất hiện đầu tiên ở Mỹ

do công ty AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo, mô phỏng một thiết bị có dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số thao tác sản xuất có tên gọi là “Versatran”

Quá trình phát triển của Robot công nghiệp được tóm tắt như sau:

- Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên

- Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran

- Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ

- Từ năm 1970, việc nghiên cứu các tính năng của Robot đã được chú ý nhiều hơn và cũng bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển

- Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR

- Từ những năm 1980, nhất là vào những năm 1990, 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 gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc Chính vì vậy mà Robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất tự động hiện đại như hiện nay

Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó bao gồm:

- 30 công ty của Mỹ, ta có thể lấy một số công ty điển hình như: Robots.Pro, Vecna Robotics, Robot Dynamics…cùng với những sản phẩm nổi tiếng như: Robot lấy sách tự động, Robot HOAP-3, Robot BEAR, Robot tự hành Spirit and Opportunity…

- 80 công ty của Nhật, ta có thể lấy một số công ty điển hình như: Fanuc, Toyota, Honda, Hitachi, Kawasaki, shikawajima-Harima, Yasukawa…Cùng với những sản phẩm Robot được áp dụng phổ biến như: Robot Asimo, Robot EMIEW 2, Robot Simroid, Robot chơi vĩ cầm, Robot phẫu thuật……

- Ngoài ra, trên thế giới còn có 90 công ty của Tây Âu và một số công ty của Nga, Tiệp….Do đó, ta có thể thấy rằng Robot là một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng không thể thiếu của những nước phát triển

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển Robot đã có những bước tiến đáng kể,nhiều đơn vị trên toàn quốc đã thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về Robot như: Trung tâm Tự động hoá-Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử -Tin học, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân

sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN… Bên cạnh đó, còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY doanh nghiệp thiết kế và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế

Các nghiên cứu về động học và động lực học Robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu quan tâm Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại Robot nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế Robot

Lĩnh vực điều khiển Robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như: điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho Robot, các hệ Visual Servoing

1.1.3 Phân loại Robot công nghiệp

Robot có thể được phân loại theo các tiêu chuẩn khác nhau:

- Bậc tự do

- Cấu trúc động học

- Phân loại theo công nghệ truyền động

- Hình thể không gian làm việc

- Đặc trưng chuyển động

a Phân loại theo bậc tự do

Sơ đồ phân loại Robot thường dùng là theo số bậc tự do Một cách lý tưởng, cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không gian ba chiều Theo quan điểm này, Robot đa năng có 6 bậc tự do, Robot dư có hơn

6 bậc tự do và Robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do Robot dư có thêm một bậc tự do để

di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trong các không gian hẹp Mặt khác, đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp giáp các chi tiết trên mặt phẳng, Robot bốn bậc tự do là đủ

b Phân loại theo cấu trúc động học

- Robot chuỗi: là một chuỗi động

học hở với một khâu cố định

gọi là đế và các khâu động,

trong đó các khâu động được

bố trí nối tiếp với nhau Mỗi

khâu động được liên kết hay

nối động với một khâu khác

nhờ các khớp liên kết

Hình 1: Robot cấu trúc chuỗi

- Robot song song: là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâu khác

Hình 2: Robot cấu trúc song song

- Robot lai: có cả chuỗi vòng hở và vòng kín

c Phân loại theo công nghệ truyền động

Có 3 loại công nghệ truyền động chính là: điện, thủy lực và khí nén:

động cơ bước, động cơ DC servo,

động cơ AC servo Robot loại

này có thiết kế gọn, chạy êm,

- Hệ thống truyền động thủy lực: hệ thống sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay động cơ dầu Robot loại này được

sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn

- Hệ thống truyền động khí nén: Hệ thống truyền động này được trang bị thêm máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy-lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay Do khí nén là lưu chất nén được nén Robot loại này thường sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao

Hình 4: Robot sử dụng hệ truyền động khí nén

d Phân loại theo hình thể không gian làm việc

Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau

đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt Vùng giới hạn tầm hoạt động của Robot được gọi là không gian làm việc

- Robot toạ độ vuông góc (cartesian Robot): Robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc

Hình 5: Không gian làm việc của Robot toạ độ vuông góc

- Robot toạ độ trụ (cylindrical Robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay

Hình 6: Không gian làm việc của Robot toạ độ trụ

- Robot toạ độ cầu (spherical Robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay

Hình 7: Không gian làm việc của Robot toạ độ cầu

e Phân loại theo đặc trưng chuyển động

Tay máy Robot có thể phân loại theo kiểu di chuyển

- Cơ cấu phẳng - tất cả các chuyển động các khâu trong cơ cấu đƣợc thực hiện

là các chuyển động song phẳng (planar motion);

- Chuyển động cầu;

- Chuyển dộng trong không gian

1.1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp

Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng Robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lƣợng và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên Robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt

Có thể kể đến một số ứng dụng điển hình của Robot trên thế giới nhƣ:

- Robot song song dùng trong phân

loại và đóng gói sản phẩm: IRB

660 Flex Palletizer, IRB 340

FlexPicker, IRB 260 FlexPicker

Các Robot này có thể gắp lần

lƣợt các hộp vắc xin bại liệt từ

băng tải và đặt nó vào thùng gồm

20 hộp một cách chính xác

Hình 8: Robot dùng trong ngành dược

phẩm

- Robot dùng trong công nghệ ép

phun nhựa: IRB 6650 của hãng

ABB có thể thao tác nhanh, dễ

dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn

- Robot vận chuyển và đóng gói sản phẩm: Robot đóng gói và vận chuyển trong phạm vi rộng các sản phẩm khác nhau

Hình 10: Robot dùng trong đóng gói, vận chuyển

Bên cạnh đó, Robot công nghiệp còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như trong môi trường độc hại, ngành nông nghiệp và ngành thực phẩm

Ở nước ta, ứng dụng của Robot công nghiệp rất đa đạng, tùy vào những ngành, công việc khác nhau mà ta có thể áp dụng những Robot công nghiệp riêng biệt Dưới đây là một số ngành trong hệ thống sản xuất mà áp dụng Robot công nghiệp Công nghiệp đúc: Robot làm nhiệm vụ rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát

Hình 11: Robot dùng để làm sạch sản phẩm

Ngành gia công áp lực: các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc độc hại và ở nhiệt độ cao, điều kiện làm việc khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập

Ngoài ra, Robot còn có nhiều lĩnh vực được nghiên cứu như Robot dịch vụ, Robot dùng trong lĩnh vực quân sự, Robot di động đồng thời kết hợp với nhận dạng

và điều khiển trên cơ sở xử lý những thông tin hình ảnh, đặc biệt là kết hợp với xử

lý ngôn ngữ

1.1.5 Ứng dụng của Robot trong ngành hàn

Như ta đã biết, Robot công nghiệp được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, trong đó có ngành hàn Hiện nay, số lượng Robot hàn chiếm đến 25% tổng số Robot các loại Trong ngành công nghiệp sản xuất thì hàn đóng vai trò quan trọng như ngành công nghiệpô tô, đóng tàu,… Vì vậy số lượng Robot hàn được thay thế các phương pháp hàn khác rất nhiều

Hình 14: Robot hàn hồ quang

Sở dĩ có điều này là do tính năng vượt trội khi hàn bằng Robot như sau:

- Có tính tự động và năng suất cao;

- Có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp;

- Có chất lượng mối hàn tốt và có tính thẩm mỹ cao;

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

- Giải phóng người lao động khỏi các động tác có hại khi hàn

Một số hình ảnh về Robot hàn

Hình 15: Robot hàn hồ quang

Hình 16: Robot hàn điểm và khâu thao tác

Hình 17: Dây chuyền Robot hàn điểm khung vỏ ô tô

1.2 Giới thiệu về phương pháp hàn điểm và Robot hàn điểm

1.2.1 Phương pháp hàn

a Lịch sử phát triển ngành hàn

- Thời kỳ đồ đồng, đồ sắt, loài người đã biết hàn kim loại

- Năm 1802, nhà bác học người Nga Pêtơrốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện

- Năm 1882, Kỹ sư Bênađớt đã sử dụng hồ quan điện cực than để hàn kim loại

- Năm 1886, Tômsơn đã tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối và được áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903

- Năm 1887, Bênađớt đã tìm ra phương pháp hàn điểm

- Năm 1907, kỹ sư Kenbe người Thụy Điển đã sử dụng điện cực có thuốc bọc (que hàn) để hàn kim loại

- Cuối những năm 1930, đầu những năm 1940 viện sĩ E.O.Patôn ( Liên Xô cũ) tìm ra phương pháp hàn dưới lớp thuốc, phương pháp hàn tự động, bán tự động

- Cuối năm 1940, tìm ra phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ, đó là các khí Heli, Argon ở Mỹ và Cacbonic ở Liên Xô

- Năm 1949 B.O.Paton (Kiev, Liên Xô) tìm ra phương pháp hàn điện xỉ

Những năm tiếp theo, hàng loạt các phương pháp hàn mới được ra đời như: Hàn bằng tia điện tử, hàn siêu âm, hàn ma sát,… và hiện nay trên thế giới có khoảng 120 phương pháp hàn khác nhau

Các phương pháp hàn càng ngày càng hoàn thiện và phát triển hơn Hàn được

sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là ngành hàng không vũ trụ Có thể nói: Hàn là phương pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại

Ở nước ta, sau cách mạng tháng 8/1945 và đặc biệt sau khi hòa bình năm 1954, dưới sự lãnh đạo của Đảng và Nhà nước ngành hàn đã được quan tâm và thực sự

phát triển nhất là trong thời kỳ đổi mới Hiện nay, với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn và công nhần lành nghề ngày càng đông đảo cùng sự hợp tác khoa học với các nước trên thế giới, chúng ta tin chắc rằng ngành hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển và được ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất

b Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại

Bản chất:

Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) lại với nhau thành một khối bền vững không tháo rời bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng vị trí cần nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng hoặc dẻo) sau đó kim loại lỏng

tự kết tinh (trạng thái lỏng) hoặc dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với nhau (trạng thái dẻo) để tạo thành mối hàn

Đặc điểm:

- Liên kết hàn là liên kết cứng, không tháo dời ra được;

- Tiết kiệm vật liệu: Với cùng khả năng làm việc, so với liên kết bằng bulong, đinh tán,… hàn tiết kiệm từ 10-20% khối lượng vật liệu; so vớiđúc hàn tiết kiệm 50% vật liệu;

- Hàn cho phép chế tạo được các kết cấu phức tạp (siêu trường, siêu trọng) từ những vật liệu cùng loại, khác loại có tính chất khác nhau để phù hợp với các điều kiện môi trường làm việc khác nhau;

- Hàn tạo ra các liên kết có độ bền, độ kín cao đápứng nhu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng như: Vỏ tàu, nồi hơi, thiết bị chịu áp lực,…

- Hàn có tính năng động và năng suất cao so với các công nghệ gia công khác

Do vậy dễ cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất;

- Mức độ đầu tư cho quá trình sản xuất thấp Tuy nhiên quá trình hàn vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt có công suất lớn, tập trung và thời gian hàn thường ngắn vì vậy liên kết hàn thường có các nhược điểm sau:

o Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng hàn và khu vực lân cận có thể bị thay đổi (đặc biệt là những vật liệu khó hàn) do vậy làm giảm

khả năng chịu lực của kết cấu Đặc biệt là các chi tiết làm việc dưới tác động của tải trọng động, tải trọng biến đổi theo chu kỳ;

o Trong kết cầu hàn thường tồn tại trạng thái ứng suất và biến dạng dư,

1.2.2 Phương pháp hàn điểm

a Định nghĩa hàn điểm

Hàn điểm hay hàn điện trở Spot Welding (RSW) là phương pháp hàn điện tiếp xúc mà mối hàn không được thực hiện liên tục trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc mà chỉ thực hiện theo từng điểm riêng biệt gọi là điểm hàn

Hàn điểm tiếp xúc được sử dụng rộng rãi trong việc liên kết các tấm thép có chiều dày lên tới 0.125 inch và có thể sử dụng cho rất nhiều loại vật liệu, kể cả kết hợp nhiều vật liệu khác nhau Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hàn điểm tiếp xúc là trong công nghiệp ô tô với những ưu điểm chính là tốc độ nhanh, phù hợp để tự động hóa và dễ đưa vào các dây chuyền năng suất cao cùng với các bước sản xuất khác Bằng việc điều khiển các giá trị dòng điện, thời gian hàn và áp lực của điện cực bằng máy tính, các mối hàn chất luợng tốt có thể được tạo ra với tốc độ sản xuất cao, chi phí lao động thấp, không đòi hỏi nhân công lành nghề

b Các phương pháp hàn điểm

Khi hàn điểm hai chi tiết hàn dạng tấm được đặt xếp chồng lên nhau

Hình 18: Phương pháp hàn điểm

- Hàn điểm hai phía: Các tấm hàn được đặt giữa hai điện cực hàn Sau khi ép

sơ bộ và đóng điện, dòng điện trong mạch chủ yếu tập trung ở một diện tích nhỏ trên mặt tiếp xúc giữa hai tấm nằm giữa các điện cực, nung nóng kim loại đến trạng thái nóng chảy Tiếp theo cắt điện và ép với lực ép đủ lớn, tạo nên điểm hàn Phương pháp hàn hai phía mỗi lần hàn chỉ được một điểm hàn giữa hai tấm, nhưng có thể được các tấm dày hoặc hàn cùng một lúc nhiều tấm xếp chồng

- Hàn điểm một phía: Hai điện cực bố trí cùng một phía so với vật hàn Sự nung nóng các điểm hàn do dòng điện chạy qua tấm dưới của vật hàn Để tăng cường dòng điện chạy qua các điểm hàn, người ta bố trí thêm tấm đệm bằng đồng

Hình 19: Phương pháp hàn điểm - điện cực hai phía và điện cực một phía

Sau khi điểm hàn được nung chảy, tiến hành ép với lực ép đủ lớn ta nhận được hai điểm hàn Còn hàn một phía, mỗi lần hàn chỉ hàn được hai tấm, nhưng cùng một lúc có thể hàn được từ hai (trên máy có hai điện cực) hoặc nhiều điểm hàn (trên máy hàn nhiều điện cực)

- Hàn điểm bằng điện cực giả: phương pháp hàn điểm mà nguyên lý là lợi dụng các phần nhô ra của hai chi tiết cần hàn để coi chúng như là các điện cực hàn Mỗi phần nhô và tiếp xúc của hai chi tiết sẽ là một điểm hàn Điện cực thường chế tạo bằng đồng hoặc hợp kim đồng có tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao, bên trong có nước làm nguội, do đó mặt tiếp xúc giữa điện cực và chi tiết ít sinh nhiệt so với tại điểm hàn

c Đặc điểm và ứng dụng của phương pháp hàn điểm

Đặc điểm:

- Ưu điểm:

o Tạo được liên kết hàn kín;

o Có thể hàn được các chi tiết mỏng đến rất mỏng;

o Năng suất cao;

o Không cần thêm kim loại phụ và khí bảo vệ;

o Các thiết bị có khả năng tự động hóa cao;

o Không yêu cầu cao đối với người vận hành;

o Có thể hàn các kim loại khác loại;

o Độ tin cậy cao;

o Khả năng gây biến dạng (cong vênh) thấp hơn so với các phương pháp khác

o Đối với một số vật liệu thì có yêu cầu đặc biệt về chuẩn bị bề mặt vật hàn;

o Không hàn đƣợc các chi tiết có chiều dày lớn;

- Cho những mối hàn đồng nhất và độ chuẩn xác cao;

- Sản xuất, sửa chữa ô tô: Thân, vỏ xe bị lõm hay biến dạng do tai nạn cần đƣợc phục hồi lại Hàn điểm trên khung xe ôtô để tăng độ chắc chắn;

- Các công trình công cộng: hàn bu lông hay đinh vít, tán rivet…

- Các sản phẩm kết cấu cao nhƣ: thép không gỉ và một số kim loại mầu

d Robot hàn điểm (Spot Welding Robot)

Là Robot công nghiệp mang đầu hàn điểm (Spot Welding Gun) Cấu tạo của Robot hàn điểm gồm các bộ phận sau:

Hình 20: Cấu tạo Robot hàn điểm

Đầu hàn điểm (SpotWelding Gun) Đầu hàn điểm có các loại đầu hàn có kết cấu

khác nhau:

Hình 21: Cấu tạo đầu mỏ hàn điểm (Spot Welding Gun)

1.3 Kết luận chương 1

Trong chương một đã trình bày tổng quan về Robot Công nghiệp: Khái niệm,

đặc điểm, phân loại và ứng dụng của Robot Công nghiệp; giới thiệu về phương

pháp hàn điểm và Robot hàn điểm trong dây chuyền hàn khung vỏ ô tô

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT

2.1 Thiết kế mô hình cơ học Robot

Robot hàn khung vỏ ô tô là Robot công nghiệp có các đặc điểm sau:

- Có 6 khâu (không kể khâu đế - khâu 0)

- Có 6 bậc tự do

- Khâu 6 mang đầu hàn điểm (Spot Welding Gun)

Hình 22: Mô hình Robot hàn điểm

2.1.7 Thiết kế các khâu của Robot

Việc thiết kế mô hình 3D đƣợc thực hiện bằng phần mềm Solid Works Các thông số của các khâu đƣợc cho nhƣ các hình sau

Hình 23: Khâu 0

Hình 24: Khâu 1

Hình 25: Khâu 2

Hình 26: Khâu 3

Hình 27: Khâu 4

Hình 28: Khâu 5

Hình 29: Khâu 6

2.1.8 Mô hình 3D, Sơ đồ động học Robot

Mô hình tổng thể sau khi lắp ráp các khâu Kiểm tra sơ bộ, chuyển động quay của các khâu và kích thước phù hợp, không phát sinh lỗi

Hình 30: Mô hình 3D Robot

Hình 31: Mô hình dây chuyền hàn khung vỏ ô tô