Tính toán động học và mô phỏng hoạt động robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng Robot hàn tự động để tự động hóa công đoạn này đang được các nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới rất quan tâm do một số ưu điểm s

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

-

NGUYỄN QUANG PHÚC

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT

HÀN DI ĐỘNG TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Tính toán động học và mô phỏng hoạt động robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy” này là do tôi tự thực hiện dưới

sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Phan Bùi Khôi Các số liệu và kết quả trình bày

trong luận văn là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào

Hà Nội, ngày 12 tháng 4 năm 2012

Học viên thực hiện

Nguyễn Quang Phúc

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN……… ………1

MỤC LỤC……….……… 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.……….………4

DANH MỤC CÁC BẢNG……….…5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ……… ….… 6

MỞ ĐẦU……….…………8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT ….……….……… 11

1.1 Giới thiệu về Robot … ……… 11

1.1.1 Sơ lượt về lịch sử phát triển Robot ……… …….11

1.1.2 Một số định nghĩa về Robot công nghiệp ….……….… …….12

1.1.3 Phân loại Robot ……….……….… …….15

1.2 Robot hàn tự động ……….……….18

1.2.1 Hệ thống hàn hồ quang tự động ……….18

1.2.2 Đặc tính kỹ thuật của Robot hàn tự động ……….….……….21

1.3 Ứng dụng của Robot hàn tự động trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy ……… ……… 22

1.3.1 Nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam ……….……….22

1.3.2 Nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới ……… ………….26

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN DI ĐỘNG TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY.………….………….…28

2.1 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học Robot ……… … … 28

2.1.1 Tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất …… …… 28

2.1.2 Phương pháp Denavit – Hartenberg ……… … 30

2.1.3 Phương pháp thiết lập phương trình động học Robot.………….… 32

2.2 Thiết lập phương trình động học Robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy ……….……… 36

2.2.1 Cấu trúc động học Robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy… 36

2.2.2 Tính toán các ma trận Denavit-Hartenberg.……….……… 39

2.2.3 Thiết lập phương trình động học Robot.……….…………47

2.3 Khảo sát các bài toán động học Robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy……….… 50

2.3.1 Bài toán động học thuận.……… … 50

2.3.2 Bài toán động học ngược.……… 54

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN DI ĐỘNG TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY ………… ……….……… 57

3.1 Tính toán biên dạng đường hàn ……….…… ………… 57

3.2 Tính toán động học Robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy …… 62

3.2.1 Xác định vị trí của mỏ hàn khi biết chuyển động của các khâu … 62

3.2.2 Xác định quy luật chuyển động của các khâu theo quỹ đạo hàn … 63

3.2.3 Giải thuật tính toán và lập trình bằng ngôn ngữ Maple.……….……69

3.3 Mô phỏng hoạt động của Robot.……… 77

3.3.1 Xây dựng mô hình 3D trong Solidwork.……… … 77

3.3.2 Các bước cụ thể trong việc mô phỏng Robot……… 88

3.3.3 Cấu trúc chương trình mô phỏng hoạt động ……… 91

3.3.4 Giao diện mô phỏng……… ……….….91

3.3.5 Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của Robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy.……….……….… 92

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT……….……….…93

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ….……… …94

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

f Số bậc tự do của robot

n Số khâu của robot

λ Số bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian

làm việc của robot

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Toạ độ mối hàn Pi trên quỹ đạo hàn trong hệ tọa độ OGXGYGZG 60

Bảng 3.2 Kết quả tính toán qui luật chuyển động các khâu 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.16: Cắt tự động vỏ tàu với ray dẫn hướng 25

Hình 1.18: Robot hàn tự động 26

Hình 2.2: Biểu diển các thông số DH của khớp quay 31Hình 2.3: Mô hình Robot hàn di động trên ray dầm 38Hình 2.4: Bố trí Robot hàn di động trên mạn tàu 38Hình 2.5: Cấu trúc động học Robot hàn vỏ tàu thủy 39

Hình 2.9: Khâu 1 43

Hình 3.4: Mô tả vị trí các đế Robot gắn trên thành tàu 62

Hình 3.8: Đồ thị mô tả qui luật chuyển động các khâu 67Hình 3.9: Màn hình giao diện chương trình tính toán Maple 71Hình 3.10: Mô hình 3D khâu đế 78

MỞ ĐẦU

Hiện nay, việc ứng dụng nhanh các tiến bộ kỹ thuật vào sản xuất ở các ngành công nghiệp là một nhu cầu cấp bách, đặc biệt là ứng dụng kỹ thuật tự động hóa trong các nhà máy công nghiệp Nhiều ứng dụng đã đem lại hiệu quả rất to lớn, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm Công nghệ tự động hóa và người máy hóa đang được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo hàng loạt lớn như chế tạo ô tô và hàng tiêu dùng do:

• Phần lớn các nguyên công lặp lại hàng nghìn chu kỳ hệt như nhau trong một khoảng thời gian giới hạn, tải giới hạn

• Việc lập kế hoạch và tối ưu hóa ngay cả các công đoạn phức tạp nhất cũng

có thể thực hiện được không chỉ qua mô phỏng mà còn qua thử và sửa

• Các thao tác tự động có thể tự điều chỉnh qua kinh nghiệm thực hiện

• Độ chính xác có thể thực hiện được nhờ dùng những chi tiết kẹp giữ, định vị rất cứng

• Không có các yêu cầu đặc biệt về an toàn và độ tin cậy

Ngược lại trong ngành công nghiệp đóng tàu thì phần lớn các công đoạn đóng tàu hiện chưa được tự động hóa mà nguyên nhân chính nằm ở bản chất của việc đóng tàu là sản xuất đơn chiếc với:

• Các nguyên công nói chung là không giống nhau, rất ít lặp lại

• Lập kế hoạch và tối ưu hoá chỉ có thể thực hiện qua mô phỏng

• Tải (thời gian, trọng lượng, chi phí) là rất lớn

• Các thiết bị máy tự động không có điều kiện tự học hỏi rút kinh nghiệm được

• Thường có những yêu cầu rất cao về an toàn và độ tin cậy do chi tiết, cấu kiện có kích thước và trọng lượng rất lớn và giá thành thiết bị cao

Ngày nay, một số công đoạn đầu của quá trình đóng vỏ thép tàu như vạch dấu, cắt, chế tạo các cụm chi tiết phẳng,… đã được tự động hóa Trong khi đó việc hàn đấu nối tổng đoạn tàu khi lắp ráp đấu đà trong ụ hoặc trên triền, đà, nhất là phía bên trong tàu đều phải hàn thủ công, chưa được tự động hóa Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng Robot hàn tự động để tự động hóa công đoạn này đang được các nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới rất quan tâm do một số ưu điểm sau:

• Tăng năng suất lên 3,6 lần

• Giảm 10% thời gian lắp ráp trên triền hoặc ụ, do đó tăng lượng thông qua ụ

• Chất lượng mối hàn tốt hơn nhờ tự động hóa, giảm được 10 – 20% mối hàn khuyết tật

• Tránh cho công nhân khỏi những công việc nhàm chán, độc hại, nguy hiểm Qua phân tích về các công đoạn của công nghệ đóng tàu và thực trạng tự động hoá trong công nghệ đóng tàu ở các nhà máy tại Việt Nam, cũng như các nghiên cứu Robot hàn trong công nghệ đóng tàu trên thế giới có thể nhận thấy là:

Ở Việt Nam việc sử dụng Robot hàn, hay nói cách khác là hàn tự động trong các công đoạn đóng tàu còn rất nhiều hạn chế Hiện nay chỉ mới sử dụng hàn bán tự động các mối hàn giáp mối ở các công đoạn chế tạo các phân đoạn phẳng và các tổng đoạn chế tạo các phân đoạn ở trên các bệ chuyên dùng ở các phân xưởng Mặt khác khi lắp ráp hàn nối các phân đoạn và tổng đoạn trên triền đà chủ yếu là thủ công, do người công nhân thực hiện Do đó năng suất lao động chưa cao, chất lượng chưa đều Đây chính là nhu cầu cần thiết phải nghiên cứu để làm chủ các tiến bộ khoa học trên thế giới nhằm hoàn thiện việc tự động hoá các công đoạn đóng tàu ở Việt Nam Đặc biệt là công đoạn hàn nối các tổng đoạn, đây là một công việc đòi hỏi nhiều nổ lực của người công nhân khi hàn các mối hàn giáp mối của các tổng đoạn

Với nhận xét trên đây, tác giả luận văn lựa chọn đề tài: “Tính toán động học và

mô phỏng hoạt động Robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy” nhằm đề cập

tới một giải pháp tự động hoá công đoạn hàn nối tổng đoạn thân tàu với Robot hàn

tự hành trên đường ray

Luận văn này tập trung phân tích đưa ra mô hình Robot hàn tổng đoạn, cấu trúc

động học của Robot, tính toán động học thuận và động học ngược của Robot, xây

dựng quy luật chuyển động, mô phỏng hoạt động Robot trên phần mềm

Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:

• Chương 1: Tổng quan về Robot

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán động học Robot hàn di động trong

chế tạo vỏ tàu thủy

• Chương 3: Tính toán, mô phỏng động học Robot hàn di động trong chế

tạo vỏ tàu thủy

Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu, khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất

mong nhận được ý kiến góp ý của quý Thầy, quý Cô để bản luận văn được hoàn

thiện hơn và trở thành một tài liệu tham khảo hữu ích cho việc ứng dụng Robot hàn

tự động vào trong quá trình sản xuất

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, quý Thầy, quý

Cô trong bộ môn Cơ khí chế tạo máy, Viện Cơ khí, Viện đào tạo Sau Đại học –

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn

này

TÁC GIẢ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu về Robot

1.1.1 Sơ lượt về lịch sử phát triển Robot

Thuật ngữ “Robot” xuất hiện lần đầu tiên trong vở kịch “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek năm 1921 Từ đó ý tưởng thiết

kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc con người Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, nhà nghiên cứu Goertz đã chế tạo thành công loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên Năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi

sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác động lên khâu cuối

Năm 1961, người máy công nghiệp đầu tiên được đưa vào ứng dụng ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác như Anh, Thụy Điển, Nhật, Đức…cũng tiến hành công tác nghiên cứu tương tự, tạo ra các Robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm biến và thiết bị giao tiếp người và máy Cũng trong giai đoạn này, một thành tựu khoa học đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là con người đã chế tạo được Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt của mặt trăng

Từ đó trở đi con người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng trong quá trình tự động hoá sản xuất nhằm tăng hiệu quả kinh doanh Nhờ áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học kỹ thuật về vi xử lý, tin học cũng như các vật liệu mới nên các Robot ngày càng được chế tạo nhỏ gọn hơn, thực hiện được nhiều chức năng hơn, thông minh hơn, các chuyển động của chúng ngày càng đa dạng, bắt chước các chuyển động của con người

Trong những năm gần đây Robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm Các thao tác lặp lại nhiều lần bao gồm chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiết máy, lắp ráp các bộ phận thành cụm máy Các ứng dụng trong môi trường nguy hiểm bao gồm chuyển tải vật liệu

phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm, sơn phun,…Ngoài ra, Robot còn được dùng trong xây dựng, các thiết bị bay và di chuyển không người lái tại những địa hình phức tạp, các máy khai thác mỏ, các cụm gia công thông minh Ngày nay, xu hướng mới là chế tạo các Robot thông minh và thân thiện với con người, kể cả Robot giải phẫu y khoa, giúp việc nhà, giúp người tàn tật…Mặc dù vậy, các loại Robot có thể mô phỏng nhiều chức năng của con người vẫn còn những hạn chế nhất định, do đòi hỏi sự phát triển của công nghệ về trí tuệ nhân tạo

Chuyên ngành khoa học về Robot, “robotics”, đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, qũy đạo chuyển động, chất lượng điều khiển… Tuỳ thuộc vào mục đích và phương thức tiếp cận, chúng ta có thể tìm hiểu lĩnh vực này ở nhiều khía cạnh khác nhau

1.1.2 Một số định nghĩa về Robot công nghiệp

a Định nghĩa Robot công nghiệp:

Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau:

Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (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 tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất, theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện

các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Định nghĩa theo RIA (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

Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (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 lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Tùy theo các quan điểm nhìn vấn đề ở các góc độ khác nhau, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực Robot có những định nghĩa khác nhau Tuy nhiên có sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều khiển theo chương trình”

Có thể nói Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau

f : số bậc tự do của robot

n: số khâu động của robot

λ: số bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của robot (λ = , 3 λ = lần lượt tương ứng với không gian hai chiều và ba 6chiều)

c Hệ tọa độ:

Hệ tọa độ gắn với khâu cơ sở (còn gọi là giá, hoặc đế) gọi là hệ tạo độ cơ sở Các

hệ tọa độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ khâu Các hệ tọa

độ gắn trên các khâu của Robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải

Hình 1.1: Qui tắc bàn tay phải

d Trường công tác của robot:

Trường công tác hay vùng làm việc, không gian công tác, của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp

Hình chiếu đứng Hình chiếu bằng

1.1.3 Phân loại Robot

Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc động học, hệ thống truyền động…Ở đây, ta xét 4 phân loại chính như sau:

a Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động

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

(1) Robot tọa độ Decart: Robot loại này có

ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba

chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục

vuông góc Trường công tác có dạng khối

chữ nhật

Hình 1.3: Robot kiểu tọa độ Decart

(2) Robot tọa độ trụ: Robot này có ba bậc chuyển

động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay Vùng làm việc của robot có hình dạng trụ rỗng

Hình 1.4: Robot kiểu tọa độ trụ

(3) Robot tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu

Hình 1.5: Robot kiểu tọa độ cầu

(4) Robot khớp bản lề và SCARA:

Robot này có ba bậc chuyển động cơ bản

gồm ba trục quay, bao gồm cả kiểu Robot

SCARA (Selective Compliant Articulated

Robot Actuator) Loại robot này thường

dùng trong công việc lắp ráp

b Phân loại theo thế hệ

Theo quá trình phát triển của Robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:

(1) Robot thế hệ thứ nhất: Bao gồm các dạng Robot hoạt động lặp lại theo một

chu trình không thay đổi theo chương trình định trước Chương trình ở đây cũng có hai dạng; chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính

(2) Robot thế hệ thứ hai: Robot thế hệ này bao gồm các Robot sử dụng cảm biến

trong điều khiển cho phép tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác Dạng Robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là Robot được điều khiển thích nghi cấp thấp

(3) Robot thế hệ thứ ba: Đây là dạng phát triển cao nhất của Robot tự cảm nhận

Các Robot ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng Robot thế hệ này bao gồm các Robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác

(4) Robot thế hệ thứ tư: Bao gồm các Robot sử dụng các thuật toán và cơ chế

điều khiển thích nghi được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với

điều kiện của môi trường thao tác

(5) Robot thế hệ thứ năm: Là tập hợp những Robot được trang bị trí tuệ nhân

tạo

c Phân loại theo bộ điều khiển

(1) Robot gắp - đặt: Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén

Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục của tay máy

(2) Robot đường dẫn liên tục: Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực

hiện điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó Robot được lập trình theo một đường chính xác Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ Robot, sau đó Robot sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó

d Phân loại theo hệ thống truyền động

(1) Hệ thống truyền động điện: Nguồn điện cấp cho Robot thường là DC để điều

khiển động cơ DC Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Robot loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác Các ứng dụng phổ biến là Robot sơn, hàn

(2) Hệ truyền động khí 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 nên Robot loại này thường

sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao

(3) Hệ truyền động thuỷ lực: Tay máy là các xy-lanh thuỷ lực chuyển động

thẳng và quay Robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn

n có thể đhoặc không

g khí Quá

hồ quang k, có thể dù

ng để bổ su

nh hàn tự được mắc tr

hàn

định vật hàn

mỗi vật hàn

àn Bộ phậndàng, giữ ch

àn tự do tiếp

uồn hàn ch

điện hàn từ

ch ly quanhguội bằng trình hàn kim loại khíùng hoặc k

ung kim lođộng Thônrên cánh t

n

phải được c

n khung giữhắc các vật

p cận mối h

o hàn hồ qu

ừ cáp

h mối nước dùng hoặc không

n

à yếu tố cơ bchỉnh chính

2: Bộ làm s

1: Khung g

àn hồ quangnên quá trìn

ài ra,

t dây

hống

1.2.2 Đặc tính kỹ thuật của Robot hàn

Robot hàn là một thiết bị cơ điện tử điển hình do đó các đặc tính của nó bao gồm nhiều thông số thuộc các chuyên môn khác nhau

Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp các thông tin cơ bản trong catalog theo máy gồm:

- Bậc tự do

- Hình dáng và kích thước vùng làm việc

- Sơ đồ động học

- Kích thước bao gói, khối lượng tĩnh

- Tầm với max, min

- Tải trọng danh nghĩa và lớn nhất

- Độ chính xác, độ chính xác lặp lại

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

- Giới hạn chuyển động của từng khớp trên cánh tay

- Hiệu điện thế không tải

- Hệ điều hành

- Khả năng kết nối thiết bị ngoại vi

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:

- γ: Tỉ khối kim loại 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

- Tư thế hàn

Trong luận văn này nghiên cứu robot hàn di động với chú ý đảm bảo 3 yếu tố quan trọng:

- Vận tốc hàn: tốc độ di chuyển của mỏ hàn đối với đối tượng công nghệ

- Tư thế của mỏ hàn đối với vật hàn

- Quy luật di chuyển của mỏ hàn để thực hiện được mối hàn theo yêu cầu công nghệ

1.3 Ứng dụng của Robot hàn tự động trong ngành công nghiệp đóng tàu thủy

1.3.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng Robot hàn tự động trong ngành công nghiệp đóng tàu tại Việt Nam

Qua tìm hiểu một số nhà máy đóng tàu ở Việt Nam cho thấy, công nghệ đóng tàu ở Việt Nam cũng áp dụng các phương pháp đóng tàu trên thế giới Tuy nhiên ở từng nhà máy tuỳ theo khả năng công nghệ và các trang thiết bị trợ giúp có sẵn trong nhà máy và tuỳ theo trọng tải của con tàu được đóng mà người ta áp dụng các phương pháp đóng tàu khác nhau

™ Nhà máy đóng tàu Phú Mỹ thành phố Hồ Chí Minh

Đối với tàu trọng tải dưới 1000 tấn, do tàu có kích thước nhỏ nên việc hàn nối các phân đoạn và tổng đoạn đều do công nhân thực hiện Do vậy tốc độ thi công chậm nhưng giá thành rẻ phù hợp đóng tàu nhỏ, đơn chiếc Đối với tàu trên 1000 tấn thực hiện lắp ráp theo phương pháp tổng đoạn, các phân đoạn phẳng, các tổng

người ta có thể tiến hành tự động hóa việc cắt và hàn các mối nối đối với các phân đoạn phẳng như hình 1.13

Hình 1.13: Hàn tự động với các phân đoạn thẳng nằm ngang

Đối với việc hàn nối tổng đoạn với các đường hàn thẳng đứng, cong thì hiện nay ở nhà máy các mối nối này được hàn bằng tay do người công nhân thực hiện

™ Nhà máy đóng tàu Sài Gòn

Đối với tàu loại 4000 tấn người ta

thường tiến hành lắp ráp theo phương pháp

tổng đoạn là phương pháp hiện đại hiện nay

Các tổng đoạn được lắp ráp và hàn tại phân

xưởng với các bệ chuyên dùng và dùng các

máy hàn tự động, hàn bán tự động để hàn

các phân đoạn phẳng Việc hàn nối các tổng

đoạn với nhau được thực hiện bởi các máy

hàn bán tự động, riêng với hàn boong tàu thì

được tiến hành hàn bằng máy hàn tự động,

còn đối với hàn mạn tàu vẫn thực hiện bằng

tay Do vậy năng suất thấp, chất lượng mối

Hình 1.14: Hàn mạn ngoài tàu

hàn không đều phụ thuộc tay nghề và sự tập trung của người công nhân do phải thường xuyên treo mình trên cao khi hàn và thường xuyên tiếp giáp với ngọn lửa hàn hồ quang Để cải thiện môi trường làm việc của người công nhân có thể tự động hóa phần hàn bên ngoài mạn tàu, đồng thời cũng nâng cao được hiệu suất công việc, chất lượng sản phẩm Việc tự động hóa khâu hàn mạn phía trong là khó thực hiện được, do vướng các khung xương và các cơ cấu, dẫn đến khoảng cách giữa các mối hàn là quá ngắn (30-50 cm) khó khăn trong thực hiện hàn tự động hoặc nếu có thực hiện được thì năng suất không hơn nhiều so với khi hàn tay

™ Nhà máy đóng tàu PTSC Shipyard

Đối với công đoạn hàn đấu nối các phân đoạn thẳng nằm trên mặt phẳng ngang, nhà máy đóng tàu PTSC Shipyard hiện tại đang sử dụng các máy hàn tự động duy chuyển trên thanh ray dẫn hướng

Hình 1.15: Hàn tự động với ray dẫn hướng

Riêng đối với công tác cắt trên mặt phẳng thẳng đứng, PTSC Shipyard đã ứng dụng các robot cắt tự động di chuyển trên các thanh ray bám dính vào thành tàu

Hình 1.16: Cắt tự động vỏ tàu với ray dẫn hướng

™ Các nhà máy khác:

Tương tự các nhà máy nói trên, các nhà máy đóng tàu lớn hiện nay như nhà máy đóng tàu Dung Quất, STX Marine, Stragic Marine… đều chỉ sử dụng hàn tự động đối với công đoạn hàn nối các tổng đoạn với nhau phần boong tàu cho các phân đoạn thẳng, còn đối với hàn mạn tàu vẫn thực hiện bằng tay

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu trong nước cũng đang rất quan tâm đến việc nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng Robot hàn di động trong ngành đóng tàu, cụ thể:

- PGS TS Lê Hoài Quốc, chủ nhiệm đề tài

đã chế tạo thành công Robot hàn hồ quang có

trọng lượng khoảng 300kg Robot hàn có thể

hàn được các quỹ đạo cong liên tục, nhiều chiều

trong không gian Robot này đang được triển

khai thử nghiệm tại Nhà máy đóng tàu Hà Nội

Hình 1.17: Robot hàn hồ quang

- KS Lê Công Doanh đã chế tạo thành công Robot hàn đứng ứng dụng trong

ngành đóng tàu

- TS Bùi Văn Hạnh, Phó trưởng khoa Cơ

khí, ĐH Bách khoa Hà Nội, Chủ nhiệm đề tài

nghiên cứu chế tạo thành công Robot hàn tự

động ứng dụng trong ngành đóng tàu bao gồm:

robot tự hành, ray dẫn hướng, thiết bị hàn, thiết

bị tạo chuyển động dích dắc được điều khiển

bằng phần mềm máy tính và tích hợp trong bộ

điều khiển của robot

1.3.2 Các dự án nghiên cứu và ứng dụng Robot hàn tự động trong ngành công nghiệp đóng tàu trên thế giới:

™ Dự án ROWER II

Dự án ROWER II nhằm xây dựng một hệ thống hàn tự động gồm:

- Một sàn di động nhẹ lắp các thiết bị hàn để đưa thiết bị vào khu vực hàn

- Một tay máy lắp mỏ hàn

- Thiết bị hàn: bộ nguồn, bộ cấp dây hàn, mỏ hàn,…

- Hệ thống quan sát đo chính xác vùng công tác trước khi hàn

- Bàn điều khiển để lập trình và theo dõi hệ thống từ bên ngoài vùng hàn

- Hệ thống kiểm tra chất lượng mối hàn từ xa

Dự án này nghiên cứu chế tạo một loại người máy tự động có thể vươn tới những vùng ngóc ngách chật hẹp để tự động thực hiện các công việc hàn, làm sạch, sơn Tại những khu vực như vậy trên tàu, nếu đưa công nhân vào làm là khó khăn, năng suất thấp, chi phí cao, nguy hiểm và môi trường làm việc độc hại

Hình 1.18: Robot hàn tự động

Mục tiêu chính của dự án này là tăng tính cạnh tranh của ngành đóng tàu Châu

Âu bằng cách tự động hóa khoảng 30% công việc hàn trong ụ, tăng năng suất lên 10% cụ thể:

- Chế tạo một tay máy hàn linh hoạt trong các vùng kín của kết cấu vỏ tàu

- Chế tạo và tích hợp hệ thống điều khiển và lập trình di chuyển tay máy

- Chế tạo và tích hợp hệ thống điều khiển quá trình hàn có thể hàn được các

vùng có khe hở lớn khi đấu đà

Hình 1.19: Mô phỏng giải pháp của Dockwelder

Ngoài ra, trong những năm gần đây robot hàn được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm Chúng thường xuyên được hoàn thiện cả về phần cứng và phần mềm Các kết quả nghiên cứu này được công bố khá nhiều trên các tạp chí của các hội nghị quốc tế về Robot và tự động hóa như:

- Năm 2003 Chung Tấn Lâm và các đồng sự tại đại học Pukyong, Pusan, Korea

đã phát triển giải thuật backstepping cho mô hình robot di động bám theo đường với USB camera

- Năm 2003 Trần Thiện Phúc và các đồng sự tại đại học quốc gia Pukyong,

Busan, Korea, đề xuất bộ điều khiển thích nghi với phương pháp điều khiển backstepping cho tay máy hàn di động trên bánh xe bám theo đường hàn song song với mặt đất trong mặt phẳng vuông góc với mặt đất

- Ngô Mạnh Dũng, Young Gyu Ki, Chung Tấn Lâm và Sang Bong Kim Điều

khiển cuốn chiếu cho robot hàn di động bám theo đường hàn là đường cong trơn

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN DI

ĐỘNG TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY 2.1 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học Robot

Trong phần này, chúng ta sẽ nghiên cứu việc sử dụng tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất để mô tả vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối của Robot thông qua việc xác lập các hệ tọa độ gắn với các khâu và phương pháp

ma trận Denavit-Hartenberg

2.1.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

Phương pháp tọa độ thuần nhất được đưa vào áp dụng nhằm khắc phục một số vấn đề phức tạp khi tính toán các ma trận trong đồ họa điện toán Theo đó, một không gian n chiều được trình bày trong n+1 chiều

Lúc này một điểm P trong không gian ba chiều (R3) có tọa độ [x,y,z]T sẽ được diễn tả bởi tọa độ thuần nhất là [x,y,z,γ]T trong không gian (R4) Trong việc khảo sát động học Robot, γ thường được đặt là 1 thể hiện sự không thay đổi về kích thước của từng phần tử trong phép chiếu từ không gian n sang không gian n+1

Để mô tả đồng thời phép chuyển đổi quay và chuyển đổi tịnh tiến giữa các hệ trục tọa độ trong khảo sát động học tay máy, ta sử dụng ma trận biến đổi sau:

Gán hệ tọa độ O x y z i i i i cho khâu i và hệ tọa độ O x y z i−1 i−1 i−1 i−1cho khâu (i-1) như hình vẽ:

Hình 2.1: Chuyển đổi hệ tọa độ

Ta có ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu i đối với khâu (i-1) được biểu diễn:

1 1 1

1 1

i k

R =⎣⎡x y z ⎤⎦ là tọa độ thuần nhất của điểm K trong hệ tọa độ O x y z i i i i

Vị trí và hướng của khâu i đối với hệ tọa độ cơ sở được xác định bởi tích liên tiếp

các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất:

(2.2)

2.1.2 Phương pháp Denavit – Hartenberg

Có nhiều cách tính ma trận chuyển đổi tổng thể 0Ai , ở đây chúng ta sử dụng các qui ước Denavit – Hartenberg để biến đổi thuần nhất tọa độ trong các hệ tọa độ địa phương về hệ tọa độ cơ sở dựa vào ma trận D-H tương đối i-1Ai

Theo qui ước Denavit – Hartenberg, hệ tọa độ Decartes được gắn vào từng khâu của cơ cấu chấp hành Trừ khâu đế và khâu thao tác, hệ tọa độ i gắn với khâu i theo các nguyên tắc sau:

• Trục zi thẳng hàng với trục khớp thứ (i+1) Chiều dương của phép quay hoặc tịnh tiến có thể chọn tùy ý

• Gốc tọa độ Oi là giao điểm của trục tọa độ zi với đường vuông góc chung của zi-1 và zi

• Chọn trục xi dọc theo đường vuông góc chung của zi-1 và zi có chiều từ nút (i) sang nút (i+1)

• Chọn trục yi sao cho (Oxyz)i là tam diện thuận (qui tắc bàn tay phải)

• Đối với hệ trục cơ sở (Oxyz)0 trục z0 được xác định, chọn tùy ý trục x0sao cho vuông góc với trục z0

• Đối với hệ trục n, trục zn chọn tùy ý, khi đó trục xn phải vuông góc với

i

i i

1 1 0

0 = − − −

• Khi hai trục liên tiếp cắt nhau (trục zi-1 và zi), trục xi sẽ vuông góc với mặt phẳng tạo bởi được zi ,zi-1 và đi qua giao điểm của hai trục này, còn chiều được chọn tùy ý

• Khi các liên kết là khớp tịnh tiến, trục zi được xác định theo phương tịnh tiến, xi có thể chọn tùy ý sao cho vuông góc với zi

Hình 2.2: Biểu diển các thông số D-H của khớp quay

Với cách chọn các hệ tọa độ như hình 2.2, quan hệ về vị trí và hướng giữa hai hệ tọa độ liên tiếp được xác định bởi bốn tham số sau:

• a i : khoảng cách giữa Oi’ và Oi

• d i : khoảng cách giữa Oi-1 và Oi’

• α i : góc xoắn của khâu, là góc cần thiết để quay trục zi-1 thẳng hàng với trục zi quanh trục xi theo chiều dương qui ước

• θ i : góc khớp, là góc cần thiết để quay trục xi-1 thẳng hàng với trục xi

quanh trục zi-1 theo chiều dương qui ước

Đối với khớp quay a i , d i , α i là hằng và θ i là biến, đối với khớp lăng trụ a i , θ i , α i là

hằng và d i là biến

Qui trình chung để thiết lập hệ tọa độ Denavit-Hartenberg có thể tóm tắt như sau:

1 Bắt đầu từ khâu đế, đánh số các khâu và các khớp theo thứ tự Đế được đánh

số là khâu 0, khâu cuối cùng là đầu tác động Trừ đế và khâu cuối cùng, mỗi

khâu đều có hai khớp Khớp i nối khâu i với khâu (i-1)

2 Vẽ các pháp tuyến chung giữa từng cặp trục khớp liên tiếp Trừ trục khớp thứ nhất và cuối cùng, mỗi trục khớp đều có hai pháp tuyến tới chung, một với trục khớp (i-1) và một với trục khớp (i+1)

3 Thiết lập hệ tọa độ cơ sở gắn vào giá cố định sao cho trục z0 thẳng hàng với trục khớp thứ nhất, trục x0 vuông góc với trục z0 và trục y0 được xác định theo qui tắc bàn tay phải

4 Thiết lập hệ tọa độ đầu tác động cuối n sao cho trục xn vuông góc trục khớp cuối cùng, trục zn thường được chọn theo chiều tiếp cận của đầu tác động

5 Đặt hệ tọa độ Decartes cho đầu xa của tất cả các khâu khác như sau:

• Trục z i thẳng hàng với trục khớp (i+1)

• Trục xi dọc theo pháp tuyến chung giữa hai trục i và (i+1), hướng từ trục khớp i đến trục khớp (i+1) Nếu hai trục khớp cắt nhau, trục xi sẽ được lựa chọn theo chiều vector qua tích zi-1 x zi, gốc tọa độ tại giao điểm

• Trục yi được xác định theo qui tắc bàn tay phải

6 Xác định các thông số khâu và các biến khớp

2.1.3 Phương pháp thiết lập phương trình động học Robot

a Tính các ma trận Denavit-Hartenberg (D-H)

Từ hình 2.2 ta có thể thấy hệ tọa độ i có thể chuyển từ hệ tọa độ (i-1) bằng các phép quay và tịnh tiến liên tiếp dưới đây:

1 Hệ tọa độ (i-1) tịnh tiến dọc trục zi-1 với khoảng cách di điều này làm cho gốc tọa độ Oi-1 trùng với O’i , ma trận biến đổi tương ứng là:

1 0 0 0

0 1 0 0Trans( , )

2 Hệ tọa độ (i-1) đã chuyển vị quay quanh trục zi-1 theo góc θi , làm cho trục

xi-1 thẳng hàng với trục xi , ma trận biến đổi tương ứng là:

Triển khai ta được:

00

cossin

0

sinsin

coscos

cossin

cossin

sincos

sincos

1

i i

i

i i i i i

i i

i i i i i

i i

i

i

d a

a A

αα

θα

θθ

αθ

θθ

αα

θθ

(2.7)

Ma trận i-1Ai được gọi là ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit – Hartenberg

b Ma trận trạng thái của khâu thao tác theo dây chuyền động học

Đối với Robot n khâu, vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu thao tác

của Robot đã đuợc xác định bởi ma trận D-H 0Ak như sau:

Từ yêu cầu công nghệ, khâu thao tác của Robot phải được dịch chuyển trong không gian theo một quỹ đạo xác định trước Đối với Robot hàn thì đây là đường cong mối hàn (còn gọi là quỹ đạo hàn) Khi đó, vị trí và hướng của khâu tác động

cuối chính là vị trí và hướng của hệ tọa độ O p x p y p z p được xác định phụ thuộc dạng quỹ đạo hàn, được biểu diễn bởi ma trận o

fi

A Chỉ số f i chỉ ra rằng ma trận này được

xác định tại mỗi điểm i thuộc quỹ đạo hàn f

Sử dụng 3 góc quay Cardan với 3 phép quay cơ bản quanh trục x, y, z lần lượt 3 góc φ, ψ, θ và tịnh tiến theo 3 trục tọa độ x, y, z khoảng cách lần lượt là x p , y p , z p ta xác định được 0

Với c = cos; s = sin; rotx = φ; roty= ψ; rotz = θ

Ta viết lại (2.11) như sau:

21 22 23

31 32 33

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

Với các phần tử là hàm của thời gian (t)

d Phương trình động học của Robot

Ta có ma trận 0 A K mô tả bởi công thức (2.8) và ma trậno

) ( ) (

) ( ) (

) ( ) (

) ( ) (

) ( ) (

33 33

6

22 22

5

11 11

4 3 2 1

t c q c f

t c q c f

t c q c f

t z q z f

t y q y f

t x q x f

p p

p p

p p

2.2.1 Cấu trúc động học Robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy

Để robot có thể bám theo đường hàn ta đưa ra 2 giải pháp sau:

- Robot di động chạy trên ray dạng xích

- Robot di động chạy trên các ray dạng dầm

a Phương án sử dụng ray dạng xích

Phương án này là bố trí một ray dạng xích bám dọc theo thân vỏ tàu, để có thể hàn dọc theo quỹ đạo hàn ta cân chỉnh các khâu của robot sao cho đảm bảo bám dọc theo quỹ đạo hàn và thỏa mãn các thông số công nghệ hàn, sau đó ta cố định các khâu robot lại và cho robot chạy dọc theo ray xích Phương án này thì đơn giản vì không phải điều khiển nhiều tuy nhiên phương án này có một số nhược điểm như sau:

- Việc bố trí để đảm bảo ray xích song song với quỹ đọa hàn đòi hỏi mất

nhiều thời gian và gặp nhiều khó khăn do trong thực tế các điểm hàn nằm trên quỹ đạo hàn thường không nằm trên cùng 1 mặt phẳng dẫn đến việc hàn không chính xác theo quỹ đạo hàn

- Khe hở đường hàn đấu nối thường có độ hở và độ sâu khác nhau dẫn đến

việc hàn không lấp đều khe hở hoặc hàn dôi ra

- Do các khâu robot là cố định nên góc nghiêng của mỏ hàn với pháp tuyến

vỏ tàu là không đảm bảo được góc nghiêng trong ngưỡng cho phép để mối hàn đạt chất lượng tốt nhất

- Xích có tính năng đàn hồi do đó không đảm bảo độ ổn định đường chạy

máy đóng tàu

Hình 2.3: Mô hình Robot hàn di động trên ray dầm

Hình 2.4: Bố trí Robot hàn di động trên mạn tàu

Từ những ưu điểm của giải pháp Robot hàn di động trên ray dạng dầm như hình

2.4, ta đưa ra cấu trúc động học Robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy như

hình 2.5 sau:

Hình 2.5: Cấu trúc động học Robot hàn vỏ tàu thủy

Trong đó:

1: Nam châm vĩnh cửu 2: Khâu đế (khung đường ray)

3: Khâu 1 4: Khâu 2 5: Khâu 3 6: Khâu 4 7: Mỏ hàn