Nghiên cứu robot hàn cắt gia công đường ống dẫn dầu, khí

Trong công nghiệp các nguyên công hàn ứng dụng robot rất phổ biến trong các ngành công nghiệp như ôtô – xe máy, máy bay, đóng tàu biển, các ngành công nghiệp liên quan đến vận tải đường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Họ và tên : Dương Quốc Khánh

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ROBOT HÀN – CẮT GIA CÔNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ

Chuyên ngành : Cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS.TS Phan Bùi Khôi

2

Hà Nội – Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn: “Nghiên cứu, thiết kế robot hàn –

cắt robot gia công đường ống dẫn dầu, khí” là do tôi tự khảo sát, nghiên

cứu và thiết kế, hoàn toàn không có sự sao chép của các luận văn khác Bản

luận văn này hoàn thành nhờ sự hướng dẫn hết sức tận tình của thầy giáo

PGS.TS Phan Bùi Khôi và sự chia sẻ đóng góp ý kiến của các thầy cô trong

Bộ môn và các bạn bè đồng nghiệp

Trong quá trình khảo sát, nghiên cứu và thiết kế tôi đã sử dụng một số

tài liệu đã ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và tài liệu của Bộ môn mà

không sử dụng hoặc sao chép ở các tài liệu khác

Học viên

Dương Quốc Khánh

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Chương 2: Mô tả cấu trúc robot hàn ống, lý thuyết khảo sát động học động

4.3.Kiểm nghiệm đồ bền bằng phần mềm Cosmos Work 81

MỞ ĐẦU

Công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền sản xuất đang là một xu hướng tất yếu của nền văn minh hiện đại Vấn đề cấp bách hiện nay, ngoài việc sự tăng năng suất của quá trình sản xuất là giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, nhàm chán của công việc (do sự lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc đơn giản), sự nguy hiểm của môi trường lao động như sự nóng bức tại các lò hơi, sự ô nhiễm bụi bặm của các hầm lò, sự nguy hiểm ở dưới đáy đại dương và trên vũ trụ… Để có thể khắc phục được những vấn

đề vừa nêu, các công ty trong nước phát triển đã đưa các robot vào các dây chuyền sản xuất Trong đó trong lĩnh vực hàn robot được ứng dụng khá rộng rãi

Hàn tự động có độ chính xác và năng suất cao Một khi được lập trình hợp lý các robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và cùng qui cách

Trong vận tải đường ống, các ống cỡ lớn thường sử dụng robot tự hành dẫn hướng bằng ray, đây là robot chuyên dụng cho hàn ống với khả năng tự hành Với việc

di chuyển linh hoạt trên không gian lớn bởi đường ray quanh ống, robot có thể thay người làm việc trên không gian thao tác chênh vênh với độ chính xác và năng suất cao hơn hẳn Nhằm có thể đưa loại hình robot này vào chế tạo sản xuất, dưới sự hướng dẫn

của thầy giáo PGS.TS Phan Bùi Khôi, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí” Hướng nghiên cứu của đề tài là bước đầu

tiên phân tích yêu cầu làm việc để tính toán và thiết kế robot

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về công nghệ hàn và hàn hồ quang

Hàn là phương pháp rẻ tiền và hiệu quả nhất để nối cứng 2 chi tiết kim loại với nhau Một mối hàn được tạo ra bằng cách đốt nóng kim loại tới điểm nóng chảy trong

đó có hoặc không dùng lực tác dụng và kim loại điền đầy Có nhiều quá trình hàn khác nhau, sử dụng nhiều loại nguồn nhiệt khác nhau Hai phương pháp hàn chính là hàn hồ quang và hàn điểm (hàn đối kháng)

Hàn được coi là khâu phức tạp nhất trong các quá trình chế tạo Để tự động hóa quá trình hàn cần phải hiểu nguyên lý khoa học đằng sau nó

Hàn hồ quang

Hàn hồ quang là phương pháp nối hai miếng kim loại bằng cách làm nóng chảy chúng hoặc một dây kim loại trung gian, nhiệt sinh ra từ một hồ quang điện giữa các vật hàn và đầu que hàn Qúa trình hàn có thể cần hoặc không cần kim loại điền đầy Điện cực có thể là dây kim loại tự tiêu hoặc que các-bon hay que tăng-xtan không tự tiêu Khi dùng điện cực không tự tiêu, kim loại điền đầy có thể lấy từ một dây kim loại phụ Còn điện cực tự tiêu vừa mang dòng điện hàn, vừa nóng chảy và điền đầy kim loại vào mối hàn

Hình 1- 1 Hàn hồ quang

Che chắn hồ quang

Một trong những vấn đề chính trong quá trình hàn là khi kim loại nóng lên, chúng sẽ tương tác hóa học với không khí Có nhiều phương pháp cách ly vật hàn khỏi không khí xung quanh Nếu dùng khí trơ thì quá trình hàn gọi là hàn hồ quang khí trơ Hàn hồ quang lõi thuốc giống như hàn hồ quang khí trơ, chỉ khác ở điện cực Kỹ thuật hàn này dùng để nối các miếng kim loại dày, như ở các bình cao áp, ống cống, ống gas Hàn hồ quang tăng-xtan khí trơ và hàn hồ quang plasma cũng là những kỹ thuật hàn được dùng phổ biến

Mạch hàn cơ bản

Hồ quang được tạo ra giữa khe hở khi chạm điện cực vào vật hàn rồi nhấc ra nhưng vẫn giữ tiếp xúc gần Hồ quang sinh ra nhiệt độ khoảng 3600oC tại đầu que hàn Nhiệt này làm nóng chảy cả kim loại nền và điện cực, tạo ra một vũng kim loại nóng chảy, nó đông cứng sau khi điện cực di chuyển tới vị trí tiếp theo dọc mối hàn

Hình 1-2 Mạch hàn cơ bản

Các tham số của quá trình hàn hồ quang khí trơ

Trong các quá trình hàn hồ quang, có một số tham số ảnh hưởng tới kích thước, hình dạng, chất lượng và độ bền của mối hàn

Các tham số chính gồm: Dòng điện hàn, điện áp hồ quang, tốc độ di chuyển điện cực

Các tham số phụ gồm: Góc giữa điện cực và vật hàn, góc giữa các vật hàn, độ dày của lớp thuốc, độ dài của hồ quang

Kích thước và kiểu điện cực trong hàn hồ quang kim loại có cách ly xác định các yêu cầu về điện áp hồ quang và cường độ dòng điện Dòng điện có thể là một chiều hoặc xoay chiều, nhưng nguồn điện phải có thể thay đổi điện áp, cường độ để phản ứng với các biến phức tạp của chính quá trình hàn Ở cường độ thấp, dòng một chiều hiệu quả hơn nên dùng để hàn các tấm kim loại mỏng Hầu hết các điện cực có lớp thuốc hoạt động tốt nhất với dương cực (phân cực ngược), cho khả năng xuyên sâu nhất Trong khi đó âm cực lại tạo ra tốc độ nóng chảy cao hơn

- Cường độ dòng điện

Cách xác định cường độ hợp lý cho một điện cực nhất định tùy thuộc vào kích thước và kiểu điện cực đó Thậm chí còn phải tính đến kiểu nối và vị trí mối hàn Qúa trình đòi hỏi cường độ dòng điện đủ lớn để làm chảy cả điện cực và một lượng vừa đủ lớp kim loại nền Cường độ càng lớn, thì độ xuyên thấu càng sâu Cường độ cao có thể dẫn tới các vấn đề như quá nhiều vẩy hàn, quá nhiệt hoặc nứt gãy điện cực

Điện áp hồ quang thay đổi ít hơn so với dòng điện hàn Nó ảnh hưởng tới hình dạng và độ rộng của ngọn lửa hồ quang Điện áp càng cao thì ngọn lửa hồ quang càng rộng và dẹt Phải tránh điện áp quá cao vì nó gây ra nứt gãy Điện áp thấp sinh ra hồ quang hẹp hơn, xuyên sâu hơn

Tốc độ di chuyển điện cực dọc mối hàn có ảnh hưởng trực tiếp tới hình dạng ngọn lửa hồ quang, độ sâu nóng chảy, tính thẩm mỹ (bề mặt), và sức nóng truyền vào kim loại nền Tốc độ di chuyển nhanh tạo ra đường hàn hẹp hơn nhưng ít sâu hơn Cách này thích hợp để hàn các tấm kim loại Tốc độ di chuyển cũng ảnh hưởng tới sức nóng, do vậy ảnh hưởng tới cấu trúc luyện kim của kim loại Tốc độ làm nguội tăng

hay giảm phải tỷ lệ với tốc độ di chuyển Ngoài ra, vùng chịu nhiệt sẽ tăng kích thước trong khi tốc độ nguội giảm Tốc độ di chuyển và làm nguội quá nhanh dẫn tới xu hướng làm xốp vì mối hàn đông cứng nhanh hơn

Độ dài hồ quang là khoảng cách từ đầu nóng chảy của lõi điện cực tới vũng hàn nóng chảy Nói chung, độ dài này tăng khi kích thước điện cực và cường độ dòng điện hàn tăng Độ dài hồ quang thường được giới hạn bằng đường kính lõi điện cực

1.2 Hàn tự động trong công nghiệp và robot hàn

1.2.1 Hàn tự động trong quá trình công nghiệp

Trong công nghiệp các nguyên công hàn ứng dụng robot rất phổ biến trong các ngành công nghiệp như ôtô – xe máy, máy bay, đóng tàu biển, các ngành công nghiệp liên quan đến vận tải đường ống như dầu khí, hóa chất…

Sản phẩm phù hợp nhất để ứng dụng robot hàn thường hội tụ các đặc điểm:

- Các sản phẩm gia công trong môi trường nóng, ẩm, độc hại, áp suất cao;

Thiết bị hàn hồ quang tự động khác hẳn thiết bị hàn tay Hàn hồ quang tự động thường có chu kỳ làm việc cao và yêu cầu các thiết bị hàn phải hoạt động dưới những điều kiện khắc nghiệt Ngoài ra mỗi thành phần của hệ thống phải có đủ tính năng và điều khiển để giao tiếp với hệ điều khiển trung tâm Các thiết bị trong hàn tự động bao gồm

• Robot hàn hồ quang

• Nguồn điện (máy hàn)

• Súng hàn

• Bộ làm sạch súng hàn: đầu súng hàn gần hồ quang và dần dần dính vẩy hàn, cần

phải làm sạch

• Bộ cấp điện cực: để bù lại dây điện cực tiêu hao khi hàn

• Đồ gá hàn và tay hàn giữ và định vị các chi tiết để đảm bảo mối hàn sẽ được

robot thực hiện chính xác

• Bộ định tâm: để đảm bảo que hàn và khung hàn biết vị trí của nhau, cần phải

liên tục hiệu chỉnh trọng tâm của hệ thống Qúa trình này được thực hiện nhờ

một thiết bị định tâm tự động

1.2.2 Robot hàn hồ quang

Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay có khớp hoặc

xoay Loại robot trục Đề-các chỉ được dùng cho các robot rất

lớn hoặc rất nhỏ Cánh tay robot được sử dụng nhiều do nó

cho phép súng hàn chuyển động như cách con người thao tác

Góc súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở mọi vị

trí, nhất là ở những vị trí khó tiếp cận Cánh tay robot cũng

gọn nhẹ nhất và có tầm với lớn nhất Thường các robot hàn có

5-6 trục tự do, lập trình được Các cánh tay robot do nhiều nhà

cung cấp bán sẵn như ABB, FANUC, PANASONIC, KUKA, MOTOMAN

Như các thiết bị công nghệ khác, đặc tính kỹ thuật là thông số quan trọng để lựa chọn, khai thác và vận hành thiết bị Robot hàn là một thiết bị cơ điện tử điển hình, các đặc tính của nó bao gồm nhiều thông số thuộc các chuyên

môn khác nhau

Kĩ sư thiết kế robot sẽ cung cấp các thông tin sau:

- Bậc tự do;

- Sơ đồ động học;

- Tầm với max, min;

- Tốc độ di chuyển cực đại theo các phương của hệ quy chiếu cơ sở;

Hình 2 – 9 Robot Almega

Kỹ sư công nghệ hàn là người sử dụng robot cần quyết định chế độ công nghệ gồm các thông tin sau để điều chỉnh máy:

- Vh tốc độ hàn;

- Kp Hệ số đắp;

- Ih Cường độ dòng hàn;

- ψhệ số tổn thất que hàn;

- Fht lượng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đường hàn;

- γ Tỉ khối kim loại hàn;

- Ih Cường độ dòng hàn;

- Tốc độ chạy dây;

- Vận tốc di chuyển mỏ hàn;

- Lưu lượng khí bảo vệ;

- Khoảng cách từ mỏ hàn đến bề mặt gia công

1.3 Ứng dụng robot trong thi công hàn - cắt ống dẫn dầu khí

Thuật ngữ ống ở đây được hiểu là một vật thể có profil mặt cắt ngang kín, rỗng phía trong, thông thường ống là các chi tiết thành mỏng

Mối ghép hàn các chi tiết dạng ống thường gặp nhất trong các lĩnh vực như vận tải chất lỏng hoặc chất khí áp lực cao, kết cấu khung xe hơi hoặc xe máy, ống dẫn lưu chất áp lực thông thường song có kích thước lớn

Hàn ống có đặc điểm quỹ đạo là đường cong ghềnh trong không gian, vật hàn cần chuẩn bị tạo hình sơ bộ cho phù hợp khi tiếp xúc Vì vậy cùng một quỹ đạo giao tuyến giữa hai vật hàn, trước khi hàn robot sử dụng mỏ cắt để cắt rời các phần thừa, tạo hình phần tiếp xúc trên vật hàn trước khi chạy lặp lại quỹ đạo đó thực hiện quá trình hàn ghép cứng hai vật

Mối ghép ống bằng phương pháp hàn là dạng mối ghép có nhiều đặc điểm nên ứng dụng robot như đã nhắc tới ở phần đầu chương vì:

- Giao tuyến phức tạp;

- Yêu cầu độ chính xác cao;

- Yêu cầu tuổi bền cao

1.3.1 Công nghệ vận tải đường ống trong dầu khí

Sản phẩm của nghành dầu khí thường dưới dạng chất lỏng hoặc khí với đặc điểm khai thác trên biển không thuận tiện cho việc chuyên chở bằng tàu thuyền, hình thức vận tải chủ yếu của nghành dầu khí là sử dụng đường ống

Vận tải đường ống cho giá thành rẻ, ít phải bảo trì cũng như lượng tổn thất trong quá trình vận tải là nhỏ hơn các hình thức khác Ống sử dụng trong vận tải sản phẩm dầu khí vì lý do độ bền, thường chế tạo bằng thép trong khoảng 150 – 500 mm hoặc hơn nữa

Do áp lực trong lòng ống lớn để vận chuyển trên khoảng cách xa, mặt khác chịu các tác động ngẫu nhiên từ môi trường nên độ bền của mối ghép là vấn đề quan tâm hàng đầu Ở khía cạnh này, ống dẫn thường không ghép bằng ren, do chúng có kích thước lớn, mặt khác độ bền và độ kín khít của mối ghép đạt được với chi phí lớn hơn nhiều so với mối ghép bằng hàn Đặc biệt với kích thước lớn, việc thi công lại diễn ra trên biển, mối ghép ren không phải là lựa chọn trong trường hợp thiếu thiết bị hỗ trợ chuyên dùng

1.3.2 Định hướng của luận văn

Trong vận tải đường ống, các ống cỡ lớn thường sử dụng robot tự hành dẫn hướng bằng ray, đây là robot chuyên dụng cho hàn ống với khả năng tự hành giới hạn Hiện nay ở Việt Nam robot loại này có ứng dụng tại Petrolimex, tuy nhiên chưa có nhà cung cấp chính thức tại Việt Nam

Nhằm đáp ứng nhu cầu về sử dụng robot này trong thời gian tới, tác giả luận

văn lựa chọn đề tài “tính toán thiết kế robot hàn – cắt đường ống dầu khí”

Luận văn này tập trung phân tích các yêu cầu về kỹ thuật đặt ra với robot hàn ống

cỡ lớn, phân tích động học và động lực học robot, sau đó dựa trên các tính toán để thiết

kế sơ bộ cấu trúc robot, mô phỏng thử nghiệm robot trên phần mềm Visual C++6 và thư viện đồ họa Open GL

Thực tế cho thấy, nhu cầu về sản xuất và sử dụng robot trong nước đang hàng ngày tăng lên, các kênh chính thức về chuyển giao công nghệ, mua bán thiết bị đã hình thành trong khi nhân lực được đào tạo và các nghiên cứu khoa học trong nước hiện nay có thể không theo kịp thực tế

Trong nỗ lực chung nhằm bắt kịp với trình độ robot của khu vực và thế giới luận văn này chọn giải quyết các vấn đề thực tế đặt ra về robot hàn đường ống cỡ lớn, những nghiên cứu này hướng tới đón đầu sự phát triển thị trường vận tải đường ống của ngành dầu khí Việt Nam tương lai

Chương 2

MÔ TẢ CẤU TRÚC ROBOT HÀN ỐNG

LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

2.1 Cấu trúc và sơ đồ động học

Trong quá trình hàn ống, vì vật hàn có khối lượng và kích thước lớn nên sẽ là tối

ưu nếu các chuyển động tương đối trong quá trình gia công do robot thực hiện (vật hàn đứng yên)

Phần định hướng mỏ hàn, do mỏ hàn có cấu tạo uốn cong đặc biệt trong khi hàn

để ổn định chất lượng mối hàn và luôn hướng phần kim loại nóng chảy vào mối ghép tốt nhất, trục mỏ hàn là phân giác ngoài của cạnh phôi, trong đường kéo dài của trục

mỏ hàn cần xuyên tâm ở tất cả các vị trí

Như vậy từ yêu cầu định vị và định hướng mỏ hàn, cần 6 bậc tự do tương đối giữa mũi hàn và điểm hàn Yêu cầu về không gian làm việc lớn, cần một bậc tự do tự hành độc lập của robot để di chuyển toàn bộ robot đến miền làm việc mới Như vậy cần cơ cấu tự hành gắn ở đế (khâu 0) của robot

Trên cơ sở phân tích các chuyển động cần thiết như trên có thể thấy robot cần có

6 bậc tự do, ngoài ra cần một bậc tự do tịnh tiến ở giá dẫn hướng trên ray thay vì cố định

2.1.1 Nguyên lý cấu trúc robot hàn

Các thành phần cơ bản của robot hàn bao gồm tay máy và dụng cụ thao tác

Tay máy là cánh tay robot, bao gồm các đoạn được gán khớp với nhau, có khả năng chuyển động theo nhiều hướng khác nhau, cho phép robot làm việc Khâu thao tác, gán cố định trên tay máy thực hiện công việc

Cổ tay phải có khả năng làm bàn tay tiếp cận 1 điểm trong không gian theo 1 hướng đặc biệt bởi 3 chuyển động: Pitch (Chuyển động lên xuống), Yaw (chuyển động trái qua phải) và Roll (Tự quay) Các khớp Roll, Pitch, Yaw được gọi là các trục định

Như vậy 3 khâu cuối của tay máy phải được thiết kế để có thể dụng cụ có thể thực

hiện được 3 chuyển động này của khâu thao tác Đây là 3 chuyển động Độc lập tuyến

tính

Phần thân robot phải có khả năng đưa cổ tay đến các vị trí trong không gian, như vậy phải thực hiện được 3 chuyển động theo trục X, Y, Z trong hệ tọa độ cố định

- Trục X: hướng di chuyển tay máy từ sau ra trước

- Trục Y: hướng di chuyển tay máy từ trái qua phải

- Trục Z: hướng di chuyển tay máy dưới lên trên

Thiết kế cơ khí của tay máy liên quan trực tiếp đến môi trường làm việc và các đặc tính chuyển động Nhằm tạo độ cứng vững trong khi làm việc, khớp đầu tiên phải

tự quanh trục (Quay quanh Z) nhằm tránh các lực quán tính lệch tâm gây ra bởi trọng lực Hai trục tiếp theo có khả năng đưa điểm cuối khâu 3 di chuyển theo 2 trục X và Y như vậy cần tổ hợp của các chuyển động quay bản lề và chuyển động tịnh tiến

2.1.2 Sơ đồ động học robot

Hình 2 -2: Sơ đồ động học robot hàn ống di động

2.2 Khảo sát động học Robot

2.2.1 Trạng thái vật rắn trong không

gian

Trạng thái vật rắn trong không gian, bao

gồm vị trí và hướng của đối tượng có thể được xác

định bởi 6 thông số, mô tả mối liên hệ giữa hệ tọa

độ cố định và hệ tọa độ động gắn cứng vào vật rắn

Trong đó 3 tham số mô tả vị trí gốc hệ tọa độ

động, 3 tham số biểu diễn hướng của vật rắn với

hệ tọa độ tham chiếu

a) Ma trận Cosin chỉ hướng:

Ma trận cosin chỉ hướng mô tả mối liên hệ hướng giữa hệ tọa độ động và hệ tọa

độ cố định

Gọi i, j, k là các vecto đơn vị của các trục hệ tọa độ cố

định u, v, w là các vectơ đơn vị hệ tọa độ động

(Ở đây gốc 2 hệ tọa độ trùng nhau)

Trong hệ tọa độ cố định A:

Vecto p bất kì được biểu diễn theo các vecto đơn vị của 2 hệ:

Ta gọi ma trận ARBlà ma trận cosin chỉ hướng của hệ tọa độ động so

với hệ tọa độ cố định A Ma trận cosin chủ hướng mô tả hướng của B so với hệ tọa độ A, chuyển tọa độ vị trí vector của điểm P bất ký trong hệ tọa độ động đến

hệ tọa độ cố định Ma trậnARB có 9 phần tử nhưng chỉ có 3 phần tử độc lập,

như vậy có thể chọn 1 bộ thông số gồm 3 phần tử để biểu diễn hướng của vật rắn trong không gian

b) Định hướng vật rắn bằng các góc RPY

Việc định hướng hệ tọa độ gắn với mũi hàn ta thực hiện bằng cách quay hệ gốc lần

lượt quanh trục z, y, x của hệ tọa độ động (các góc ZYX) với các góc lần lượt là (φ, θ , ψ), để hệ tọa độ sau 3 phép biến đổi trùng với hệ tọa độ động gắn trên mũi hàn Có thể chứng minh được mỗi hướng của vật thể tương ứng với chỉ một bộ 3 thông số góc quay này Ba góc (φ, θ, ψ) được gọi là 3 góc ZYX định hướng đối tượng

Sử dụng các góc ZYX, có thể quay hệ qui chiếu Ox0y0z0 sang hệ Oxfiyfizfi bằng 3 phép quay như sau

Ma trận biểu diễn hướng của vật rắn sử dụng 3 góc ZYX nhận được từ tích 3 ma

trận quay cơ bản

AE = R (z, φ) R(y, θ) R(x, ψ)

Thay các ma trận quay cơ bản vào phương trình trên ta được ma trận cosin chỉ hướng

mô tả hướng của mũi hàn trong hệ tọa độ cơ sở, là hàm của các biến (φ, θ , ψ)

2.2.2 Xây dựng hệ tọa độ vật theo phương pháp Denavit – Hartenberg

Để nghiên cứu động học của Robot, Denavit-Hartenberg đã đề xuất phương án gán hệ trục tọa độ lên các khâu của Robot, để từ đó chuyển đổi tọa độ của điểm thao tác về hệ tọa độ gắn liền với hệ qui chiếu cố định Hệ tọa độ Denavit - Hartenberg được xây dựng như sau

+ Trục zi-1 được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ i

+ Trục xi-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của 2 trục zi-1 và zi-2, hướng từ

zi-2 sang zi-1, nếu 2 trục x cắt nhau thì hướng tùy ý

+ Gốc Oi-1 được chọn tại giao điểm của trục xi-1 và zi-1

+ Trục yi-1 chọn sao cho (Oxyz)i-1 là hệ qui chiếu thuận

Hình 2-3 Xây dựng hệ tọa độ gắn vào khâu i theo phương pháp

Denavit-Hartenberg

a) Tham số động học và ma trận Denavit-Hartenberg

Sau khi thiết lập xong các hệ tọa độ, vị trí của hệ tọa độ Oi so với hệ tọa độ Oi-1

được xác định bởi 4 tham số sau đây

θ i là góc quay trục xi-1, xung quanh trục zi theo chiều ngược chiều kim đồng hồ

để phương của các trục tọa độ xi-1 và xi trùng nhau

d i =Oi-1 Oi là khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1 chuyển đến Oi (Oi - giao điểm của trục xi với zi-1 (hình 1.1)

a i là khoảng dịch chuyển dọc theo trục xi để đưa Oi-1 tới điểm Oi

α i là góc quay quanh trục xi sao cho trục zi-1 chuyển đến trục zi

Ta có thể chuyển tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ khớp (Oxyz)i bằng các phép biến đổi cơ bản liên tiếp như sau:

Quay quanh trục zi-1 một góc θ i => Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn d i

=> Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi một đoạn a i => Quay quanh trục xi một góc α i

Ma trận mô tả trạng thái của hệ tọa độ Oi so với hệ độ Oi-1

+ Ma trận 3x3 bên trái mô tả hướng của Ri so với Ri-1

b) Ma trận Trạng thái của khâu cuối

Khi biết ma trận DH H i (Trạng thái tọa độ khâu i so với tọa độ khâu i-1), ta biết được vị trí và hướng của hệ qui chiếu Ri đối với hệ qui chiếu Ri-1 Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi DH đối với n khâu ta có trạng thái hệ tọa độ khâu thứ n so với hệ tọa

Trong đó q – vecto mô tả vị trí điểm tham chiếu gắn trên khâu thao tác

[u, v, w] – Ma trận mô tả hướng của khâu thao tác

Hướng của khâu thao tác có thể được mô tả bởi bộ tham số Euler, Cardan, RPY… hay

ma trận cosin chỉ hướng của ba trục tọa độ trên khâu thao tác (u, v, w)

Hình 2 -6 Sơ đồ khép vòng robot

Từ cấu trúc hình học của các khâu, ma trận chuyển đổi 0An trạng thái khâu cuối

so với hệ tọa độ gốc có thể xem là kết quả của chuỗi các phép biến đổi bắt đầu từ hệ tọa độ gốc, qua khâu 1,2… cho đến khâu thao tác Phép biến đổi đó được biểu diễn

Phương trình (*) được gọi là phương trình khép vòng của robot dạng chuỗi Nó bao

gồm 16 phương trình vô hướng, 4 trong số đó là phương trình tầm thường – các phương trình của hàng thứ tư Phương trình từ ma trận con 3x1góc bên phải cho hệ 3 phương trình độc lập, biểu diễn vị trí của khâu thao tác Phương trình thiết lập từ các phần tử ma trận con 3x3 góc trên bên trái cho 9 phương trình, biểu diễn hướng của khâu thao tác Tuy nhiên chủ có 3 trong số 9 phương trình là độc lập bởi điều kiện trực giao các hàng và cột trong ma trận

Hệ phương trình (*) được dùng để giải bài toán động học thuận và ngược trong robot

Trong động học thuận các biến khớp được cho trước, bài toán đặt ra cần tìm

trạng thái của khâu thao tác (hướng và vị trí) trong hệ tọa độ gốc Vấn đề này được thực hiện bởi việc nhân các ma trận D-H bên tay trái của phương trình (*)

Bài toán động học ngược robot, trạng thái khâu thao tác được cho trước 0An,

vấn đề cần tìm các giá trị biến khớp để khâu thao tác đạt được trạng thái mong muốn

đó

2.2.4 Bài toán động học ngược robot:

Bài toán động học ngược bao gồm các bước sau

- Xây dựng trạng thái mũi hàn tại tất cả các điểm của đường hàn

Dựa trên những yêu cầu công nghệ và vị trí của mối hàn, ta thiết lập trạng thái mũi hàn tại các điểm trên đường hàn và trạng thái pháp tuyến trục mối hàn

- Tìm cấu hình của hệ robot để thỏa mãn yêu cầu về trạng thái mũi hàn hoặc các điều kiện khác đã được thiết lập phía trên

Việc tìm nghiệm giá trị các biến khớp được thực hiện bằng phương pháp số

thái mong muốn

Từ phương trình động học, ta xác định được trạng thái khâu cuối p là hàm của

các biến qi (i=1 6) theo bài toán động học thuân vị trí :

= f (q ,q , ,q )

= f (q ,q , ,q )

= f (q ,q , ,q )

α β γ

hay p= f(q) với f = (f1,f2, ,f6) (2.9)

Khi các giá trị p được cho trước, hệ (2.9) là hệ phương trình phi tuyến 6 ẩn Cách

giải hệ phương trình 6 ẩn có thể tiến hành bằng phương pháp lặp Newton – Rhason từ giá trị nghiệm đầu q(0)

b) Bài toán thuận về vận tốc

Từ phương trình động học vị trí (2.9) : p=f(q)

Đạo hàm hệ này theo thời gian, ta được

8 1

Từ đây, ta xác định được các qui luật vận tốc của vị trí điểm tác động cuối và các góc định hướng mũi thao tác

& &

Mục đích của bài toán ngược về vận tốc, từ trạng thái về vị trí và vận tốc của

khâu thao tác p và &pta phải xác định được vận tốc góc các góc khớp Bài toán giải

quyết dựa trên phương trình (2.12), nhân 2 vế phương trình với J -1

Với giá trị p cho trước, theo động học ngược về vị trí ta tìm được các giá trị của biến q

Phương trình 2.13 xác định được đầy đủ vận tốc góc khớp

c) Bài toán ngược về gia tốc

Đạo hàm theo thời gian phương trình vận tốc

p = J(q).q + J(q).q&& && & && (2.14)

Khi biết các qui luật vi trí, vận tốc, gia tốc khâu thao tác (p, &p , &&p ), ta xác định

được qui luật gia tốc của các góc khớp theo công thức

Có nhiều phương pháp để xác định : Sử dụng phương trình Lagarange loại II, Newton-Euler, Các phơng pháp tính toán cổ điển Trong luận văn này sử dụng phương trình Lagange dạng ma trận và phần mềm Maple ta có thể xác định chính xác các moomen dẫn động cho robot với các thông số chọn trước :

- Khối lượng của mỗi khâu

- Kích thước động học, kích thước các khâu

-Vận tốc , gia tốc của mỗi khâu được tính toán ở bài toán động học

Bài toán động học thuận và ngược trong không gian thao tác

Hình 3.3 Động lực học thuận và ngược trong không gian thao tác

T= q M q q = q b q q& & & &

Trong đó M q q( )& = b q q( , )&

t

q

t

q q q

x 1 (t), x 2 (t), (t)

& & & & &

& & & &

Thay vào (3.42) ta được

Ta được phương trình vi phân chuyển động của hệ nhiều vật

Với các thông số trên thay vào Phương trình vi phân chuyển động 3.1 ta chọn được động cơ dẫn động của khâu đế và khâu 1 cũng như toàn bộ của robot

Chương 3 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC –ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ PHỎNG HOẠT

ĐỘNG ROBOT

Trong phần này, dựa trên lý thuyết đã nêu ở chương 2, ta khảo sát động học của robot trong quá trình làm việc Từ kết quả bài toán động học, dùng các phương trình động lực học để tính các momen dẫn động cần thiết tại các khâu Từ đó thiết kế bản vẽ chế tạo robot và kiểm nghiệm sức bền của các khâu robot

Qúa trình công nghệ khảo sát là qui trình hàn ghép nối 2 ống đường kính khác nhau, có trục vuông góc với nhau Trong quá trình hàn, bộ phận tự hành giúp robot quay đều theo ray bám trên biên dạng một trong 2 ống

3.1 Xây dựng quĩ đạo đường hàn

Nhiệm vụ của bài toán lập trình quĩ đạo là đưa ra được phương trình đường hàn (bao gồm tọa độ và hướng mũi hàn tại mỗi điểm hàn) theo dạng giải tích hoặc số rời rạc, là các hàm của biến thời gian nhằm xác định được thông số về vị trí, vận tốc, gia tốc hàn tại 1 điểm hàn trong thời điểm cụ thể Trong công nghệ hàn, đôi khi quĩ đạo được xây dựng trên các điểm rời rạc trên vật thể nhờ Teach Pendant, việc thành lập quĩ đạo lúc đó phải đảm bảo được điều kiện liên tục về vị trí, vận tốc, gia tốc điểm hàn theo thời gian để có thể thực hiện thao tác công nghệ

Trong mục này giới thiệu sơ đồ bố trí hệ thống công nghệ của nguyên công hàn, vật hàn là hai ống trụ có trục vuông góc với kích thước như hình vẽ Robot hàn có nhiệm vụ chuẩn bị vật hàn có biên dạng thích hợp cho việc ghép nối

Hình 3-1: Hàn 2 ống đường kính khác nhau

Chọn tọa độ gốc như hình vẽ Yêu cầu hàn, trục pháp tuyến mũi hàn đi qua mặt cong mối ghép (giao của 2 ống trụ rỗng), và cân đối trong quá trình hàn (trục Xp luôn tiếp xúc với đường cong mặt ngoài)

Chiếu giao tuyến theo hướng vuông góc mặt trụ nhỏ

Phương trình đường hàn:

zM= z0 + r.sin(φ)

xM= x0 + r.cos(φ)

Chiếu vuông góc với ống lớn

Ta tìm thông số mũi hàn bằng việc quay hệ tọa độ cố định sang hệ tọa độ gắn với

mỗi điểm trên đường hàn

Ry(φ).Rx(

4

π ).R

z(ε)

3.2 Khảo sát động học ngược robot

3.2.1 Thiết lập hệ tọa độ vật và dây chuyền động học

Gắn hệ tọa độ lên các khâu như hình vẽ theo quy tắc Denavit – Hartenberg

Bảng tham số động học:

Các tham số động học của tay máy được thiết lập như trong bảng

Các ma trận truyền của robot dụng cụ

3.2.2 Thiết lập và giải động học ngược

Sau khi số hóa đường hàn bằng Maple, ta có đường hàn số hóa dạng như sau

2 Xác định điểm P trên đường hàn ứng với góc φ

2.Thay giá trị xp, yp, zp, rotz , roty, rotx, φ vào hệ được 6 phương trình phi tuyến theo

6 ẩn q1, ,q6

3 Thuật toán lặp tìm nghiệm phương pháp Newton Rhapson

Hình 3-14 Thuật giải Newton Rhapson

Kết quả nghiệm sau khi giải động học ngược

Đ

S

Hình 3.18 Độ lớn các biến khớp 1, 3, 4, 6

Hình 3.19 Độ lớn biến khớp khâu 2, 5

Động học ngược về vận tốc

Hình 3.21 Vận tốc góc các khớp 1, 2, 3

Hình 3.22 Vận tốc góc khớp 4, 5, 6

Động học ngược về gia tốc

Hình 3.24 Gia tốc góc khớp 1, 2, 3

Hình 3.25 Gia tốc góc khớp 4, 5, 6

3.3 Bài toán động lực học ngược

Kết quả khảo sát động học ngược với các giá trị góc, vận tốc góc, gia tốc góc khớp đã khảo sát trong bài toán động học

Mô men trên trục 1

Mô men trên trục 2

Mô men trên trục 3

Mô men trên trục 4