Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn hồ quang

Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn hồ quang

LỜI NÓI ĐẦU

Tính toán thiết kế robot – ME4281 là một học phần bắt buộc trong chương trình đào

tạo kỹ sư Cơ điện tử của trường Đại học Bách khoa Hà Nội Với môn học này, sinh viênđược hệ thống hóa lại kiến thức của bản thân, bao gồm nhiều môn học: Robotics, Chi tiếtmáy, Vẽ kỹ thuật, Lý thuyết điều khiển tự động,… Từ đó biết cách vận dụng những kiếnthức đã biết để thực hiện một đề tài thực tế, đó là tính toán và thiết kế một cấu hình robot đápứng yêu cầu cụ thế Thông qua việc học môn học này, sinh viên còn được học và sử dụng cácphần mềm thiết kế 3D, kiểm nghiệm sức bền, điều khiển như: SolidWorks, Matlab,…

Ở bài tiểu luận này, với đề tài là Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn hồ quang Robot hàn hồ quang là một trong những ứng dụng điển

hình của robot công nghiệp, với mục đích nâng cao năng suất lao động, đồng thời robot cóthể làm việc ở những môi trường khó khăn-độc hại… Nhận thấy vai trò quan trọng của robothàn hồ quang, chúng em đã tiến hành tìm hiểu, phân tích và lựa chọn kết cấu, từ đó tiến hànhtính toán, thiết kế 3D, và xây dựng hệ thống điều khiển cho robot Tuy đã làm việc với năngsuất cao, nhưng bài tiểu luận không tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được những ýkiến đóng góp, phê bình từ phía các thầy và các bạn để chúng em sửa chữa, khắc phục bàitiểu luận hoàn thiện hơn

Cuối cùng, chúng em xin trân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong

Bộ môn Cơ học ứng dụng, và đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy Phan Bùi Khôi và thầyNguyễn Văn Quyền đã giúp chúng em rất nhiều trong việc thực hiện đề tài này

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nhóm 1

1

NỘI DUNG THỰC HIỆN

Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn hồ quang

1 Phân tích và lựa chọn cấu trúc

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng của robot

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

a Đối tượng thao tác, dạng thao tác

b Phân tích yêu cầu về vị trí

c Yêu cầu về hướng của khâu thao tác

d Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác

e Yêu cầu về không gian thao tác

1.3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật

a Số bậc tự do cần thiết

b Vùng làm việc có thể với tới của robot

c Yêu cầu về tải trọng

1.4 Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích lựa chọnphương án thực hiện

1.5 Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác

2 Thiết kế 3D mô hình robot

2.1 Thiết kế 3D

2.2 Lập bản vẽ 2D

2.3 Lập hồ sơ kỹ thuật

2.4 Xác định các thông số đặc trưng hình học-khối lượng

3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

6.4 Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu của robot

7 Thiết kế hệ thống điều khiển

7.1 Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển

7.2 Mô phỏng bằng Matlab

8 Hiệu chỉnh thiết kế

3

PHÂN CHIA CÔNG VIỆC

 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

 Phân tích trạng thái tĩnh

 Tính toán động lực học

100%

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

NỘI DUNG THỰC HIỆN 2

PHÂN CHIA CÔNG VIỆC 4

Chương 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU 7

1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot 7

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác 8

1.3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật 16

1.4 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 17

1.5 Thông số kỹ thuật 18

Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D 20

2.1 Mô hình 3D của robot 20

2.2 Không gian làm việc của robot 21

2.3 Bản vẽ 2D của robot 22

Chương 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG 24

2.1 Khảo sát động học thuận 24

2.2 Khảo sát động học ngược 26

2.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động 28

Chương 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH 32

Chương 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 37

Chương 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG 41

6.1 Thiết kế hệ dẫn động 41

6.2 Chọn động cơ phù hợp 47

6.3 Tính chọn hộp giảm tốc 48

6.4 Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền 50

Chương 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 60

7.1 Chọn luật điều khiển 60

7.2 Thiết kế mô hình điều khiển 63

5

7.3 Mô phỏng chuyển động hàn của Robot 67

PHỤ LỤC 68

KẾT LUẬN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

Chương 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC1.1 Phân tích mục đích ứng dụng robot

Robot hàn hồ quang có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực của đời sống, cũng nhưtrong các ngành công nghiệp Việc hàn bằng robot có thể đạt độ chính xác và năng suất cao.Khi được lập trình hợp lý, các robot hàn sẽ tạo ra những mối hàn giống như nhau trên các vậthàn cùng kích thước và quy cách Hơn nữa, chuyển động của mỏ hàn được tự động hóa sẽgiảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại.Quá trình hàn được tự động hóa còn giúp con người tránh khỏi các tác hại khi hàn do tiếpxúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy khí độc

Ống là chi tiết thông dụng trong công nghiệp, các mối ghép ống hiện nay chủ yếudùng phương pháp hàn Ở bài tiểu luận này, nhóm tiến hành tính toán thiết kế robot vớinhiệm vụ hàn hai ống thẳng cùng kích thước với nhau Có thể kể đến một vài ứng dụng củarobot hàn ống như hàn ống dẫn nước, ống dẫn khí, ống dẫn dầu; hàn các hệ thống khung đỡ,lan can… Dưới đây là hình ảnh minh họa kết quả làm việc của robot:

Hình 1.1 Minh họa kết quả làm việc của robot

7

1.2 Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác

Với kỹ thuật hàn hồ quang tay:

a, Kỹ thuật hàn ống

Hàn ống là một trong các kỹ thuật hàn khó, yêu cầu chất lượng mối hàn khắt khe hơn

so với các kỹ thuật hàn khác Mối hàn phải đạt độ ngấu cao, không có khuyết tật và hồ quangcũng không được chảy rỉ vào bên trong ống

Thường sử dụng các loại que hàn có lớp thuốc bọc kiểu cellulose, đường kính nhỏhơn 4mm Đường hàn đáy nên hàn theo hướng từ trên xuống Đường hàn lót cần sử dụngdòng điện lớn để nung chảy các khuyết tật đường hàn đáy Dao động ngang nên dùng cáckiểu đường thẳng, răng cưa, bán nguyệt

Hình 1.2 Góc độ que khi hàn đáy có lớp lót

Trong quá trình hàn, đầu mỏ hàn thực hiện chuyển động đồng thời, có thể theo mộttrong các dạng dưới đây:

Hình 1.3 Chuyển động của đầu mỏ hàn

Như vậy, khi hàn ống đẩu mỏ hàn vừa thực hiện chuyển động theo biên dạng đường

hàn, vừa thực hiện chuyển động lắc lư (kiểu chữ C như Hình 1.4) để mối hàn chắc chắn hơn

Hình 1.4 Mô tả dao động ngang của đầu mỏ hàn

b, Vật liệu và thiết bị

9

Chuẩn bị mẫu ống để hàn, được cắt và tạo hình theo kích thước cho trước.

Que hàn: que hàn có đường kính phù hợp với liên kết hàn, được sấy và bảo quản theoquy trình nhất định Sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 300 0 trong 2 giờ, bảo quản ở nhiệt độ 150 0,trong quá trình hàn được bảo quản trong phích sấy di động và được sử dụng trong vòng 4giờ

Hàn lót: E7016 Ø2,4mm+

Hàn các lớp trung gian, lớp phủ E7016 Ø3,2mm

Nguồn hàn: máy hàn DC

Dụng cụ làm việc: búa gõ xỉ, bàn chải sắt, máy mài…

Dụng cụ bảo hộ: đồ bảo hộ, yếm da, găng tay da…

c, Các bước thực hiện hàn ống

Bước 1: Chuẩn bị phôi hàn

Hình 1.5 Đặc điểm của mối ghép tiêu chuẩn

Vệ sinh: mài bề mặt góc vát, mép cùn Mài bề mặt của mẫu hàn (tính từ mép ra 30-40

Thường với ống sắt dày thì dòng điện khoảng 100-150 V là hợp lý Có thể nhỏ hoặc

to hơn tùy kích thước ống, vì dòng điện tùy thuộc vào phương pháp hàn cũng như vật liệuhàn

Nếu ống lớn hơn thì khoảng cách giữa 2 đoạn ống cần hàn sẽ lớn hơn Do vậy ta phảidùng que hàn bủ loại lớn hơn (từ 4-5 mm), do vậy dòng điện hàn cũng phải lớn hơn để làmchảy que hàn bù một cách đều đặn

Bước 2: Hàn đính

Đặt một ống lên bàn gá, hướng mép vát lên trên, dùng căn khe hở bằng một lõi quehàn uốn cong hình chữ U, đặt tiếp ống còn lại lên trên, mép vát được ghép lại với nhau thànhrãnh hàn Bảo đảm độ lệch mép của hai ống tối đa là 1,6mm Hàn các mối hàn đính đối xứngnhau qua tâm ống có chiều dài từ 10 - 15mm

Mối hàn đính phải có độ ngấu tốt vào chân và thấu vào trong của mối ghép 1,6mm

Có thể di chuyển căn đệm khe hở thích hợp để khi hàn đính không bị co lệch khe hở Mốihàn đính thứ ba và thứ tư vuông góc 90 0 từ các mối hàn đính một và hai Mài các mối hànđính Đòi hỏi mài tốt đúng yêu cầu kỹ thuật, khi đó các mối hàn sẽ đạt được chất lượng về độngấu

Hình 1.6a Yêu cầu đối với hàn đính

Có thể làm đồ gá là một thanh ray chữ nhật, làm theo kích cỡ của ống sao cho nó bópsát lấy thân ống Sau đó đặt 2 đoạn ống vào trong ray, để khoảng cách hợp lý tầm 2mm giữa

2 ống Sau đó tra que bù vào và đính mối hàn Mối đính là 4 mối trong một lần hàn Các mốiđính phải đối diện nhau

11

Hình 1.6b Yêu cầu đối với hàn đính Bước 3: Hàn lớp hàn lót

Hình 1.7b Tiến hành hàn lớp lót

Mối hàn hồ quang bên trong rãnh hàn Giữ cho hồ quang cháy đều và khoảng cách hồquang bằng hai lần đường kính que hàn, với sự dịch chuyển, dao đọng đầu que hàn hơi díchdắc (theo kiểu răng cưa hoặc bán nguyệt) và cung cấp đủ nhiệt tới mép cùn Các bước dichuyển hơi xuyên ngang để giữ cho kim loại và xỉ hàn không bị chảy xệ xuống, vì mẫu hàn ở

tư thế xiên 45o

Khi hàn lót, tay phải thật đều, đồng thới tay còn lại phải tra que bù một cách đều đặn

và hợp lý Quá trình hàn lót chạy theo chiều kim đồng hồ Khi hàn nhớ điều chỉnh cân đốigiữa tay hàn, vị trí người và vị trí que bù sao cho phù hợp nhất, thoải mái nhất

Chú ý: Cố gắng tạo một lỗ hình lỗ khoá ở đầu trên của bể hàn rộng hơn đường kínhque hàn một chút để tạo điều kiện thuận lợi cho kim loại hàn xuyên thấu hoàn toàn và bámđều hai bên mép của rãnh hàn Sau đó dừng chiều dài hồ quang bằng khoảng 0.8 mm từ cạnhsắc của mép cùn và bắt đầu chuyển dịch nhẹ nhàng

Hình 1.7c Tạo lỗ khóa trên đầu mối hàn lót

13

Với những ống có khe hở lớn thì nên dùng phương pháp hàn lót nhiều lần chồng lênnhau Hàn xong lớp hàn phủ thứ nhất, vệ sinh sạch mối hàn, đảm bảo rãnh đủ chiều rộng đểthoát xỉ khi hàn Tiếp tục chia bề mặt mối hàn vừa xong ra làm 3 phần và hàn phủ lên 1/3đường hàn trước.

Trong hàn lót, tuyệt đối không để hồ quang đóng cục và sùi vào bên trong của ống

Đó là mối hàn lót lỗi và sản phẩm sẽ không được chấp nhận

Bước 4: Hàn phủ lớp ngoài cùng

Sau khi hàn lót xong khâu cuối cùng của hàn là hàn phủ lớp cuối ra ngoài Sau đó tiếnhành mài để làm sạch lại mối hàn Hàn phủ có hai cách chính là hàn TIG và hàn MIG Vớinhững ống có đường kính nhỏ dưới Ø100 thì dùng hàn TIG để hàn phủ lớp cuối

Yêu cầu bề mặt mối hàn cao đều, lồi hình cung Chân mối hàn thẳng đều, khôngkhuyết cạnh, cháy chân

Với yêu cầu bài toán đặt ra:

Nhiệm vụ của robot là hàn nối 2 ống thẳng có cùng đường kính D=400 mm, với kết

quả thu được tương tự Hình 1.1 Tương ứng với bước 3 trong kỹ thuật hàn hồ quang tay (hàn

lớp hàn lót), tức là 2 ống đã được hàn đính với nhau

Hai ống được gá cố định trên bàn máy (được minh họa như Hình 1.8) Robot sẽ hàn

theo biên dạng đường tròn, đồng thời chi tiết sẽ thực hiện chuyển động xoay quanh trục, đểviệc hàn được hoàn tất

Hình 1.8 Mô tả hệ thống gá đặt chi tiết

Quỹ đạo hàn là ½ đường tròn đường kính D=400 mm, xuất phát từ đỉểm phía trên A,kết thúc tại điểm phía dưới B

Hình 1.9 Yêu cầu bài toán đặt ra cho robot

15

1.3 Xác định các đặc trưng kỹ thuật

Bậc tự do là thông số độc lập cần thiết để xác định vị trí của cơ cấu, cũng là số khả

năng chuyển động tương đối độc lập của một cơ cấu đó (chuyển động quay hoặc chuyểnđộng tịnh tiến) Công thức tính số bậc tự do của một cơ cấu như sau:

Đồng thời, robot có yêu cầu độ chính xác về hướng, sẽ cần thêm ít nhất 1 bậc tự do đểxác định hướng (thường là bậc tự do quay)

Vì thế với yêu cầu bài toán, robot cần tối thiểu 3 bậc tự do

1.4 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

Dưới đây là một số phương án thiết kế cấu trúc robot do nhóm đề xuất:

Các phương án 4 bậc tự do giúp miền làm việc của robot lớn hơn Phương án TTTRcho miền làm việc dạng khối hộp, phương án RRRR cho miền làm việc dạng hình cầu,phương án RRTR cho miền làm việc dạng hình trụ rỗng Đồng thời, do miền làm việc trongkhông gian nên không yêu cầu độ chính xác vị trí tương quan robot và đối tượng

Các phương án 3 bậc tự do yêu cầu độ chính vị trí tương quan robot và đối tượng, kếtcấu robot đơn giản hơn Đặc biệt cấu hình RRR, tất cả các khớp quay cho phép robot hoạtđộng linh hoạt

Dựa vào yêu cầu đặt ra, quỹ đạo chuyển động là đường cong trong mặt phẳng, có xácđịnh hướng, kết hợp với ưu nhược điểm của các phương án, nhóm đã quyết định lựa chọnphương án RRR cho bài toán thiết kế robot, ba bậc tự do đều chuyển động quay

17

Link 2

Link 3

0 10

A

1.5 Thông số kỹ thuật

Mô hình hóa robot:

Vị trí của tương quan robot và đối tượng trong hệ thống:

Trong đó khâu thứ 3 luôn tạo với đường thẳng đi qua tâm một góc   100

Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D2.1 Mô hình 3D của robot

Mô hình 3D của robot được thiết kế trên phần mềm SolidWorks như sau:

Hình 2.1 Mô hình 3D trong môi trường SolidWorks

2.2 Không gian làm việc của robot

Không gian làm việc của robot được mô phỏng trên phần mềm Mattlab Code chi tiết xem ở

[Phụ lục 1].

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 -1000

-500

0 500 1000

Mien hoat dong robot trong không gian

Hình 2.2 Mô phỏng không gian làm việc của robot

21

2.3 Bản vẽ 2D của robot

2.3.1 Khâu 1

2.3.2 Khâu 2

2.3.3 Khâu 3

23

1 1 1 1

0 1

00

00

3

ˆ ˆ

01

00

00

⇒ q3   q q q1 2 123

2.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động

Yêu cầu bài toán đặt ra, robot thực hiện vẽ ra quỹ đạo ½ đường tròn từ A đến B Phương trình đường cong quỹ đạo trong mặt phẳng Oxyz là:

0,80 0, 20

0, 200

E

E E

0.7 0.8

0.9 1-0.2

-0.1 0 0.1 0.2-1-0.5 0 0.5 1

x = 0.80 + 0.20 cos(t), y = 0.20 sin(t), z = 0

x y

Thiết kế quỹ đạo theo không gian khớp

Quay lại bài toán ngược ta sẽ tìm được các tọa độ biến khớp qi như sau:

2 2 2 2 2

1 2 2

Kết quả thu được các đồ thị biến khớp như sau

Code chi tiết xem ở [Phụ lục 2].

Tọa độ biến khớp q2:

1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95

gama

31

Tọa độ biến khớp q1:

-1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3

gama

Chương 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH

Phân tích lực tĩnh học robot là vấn đề quan trọng trong việc xác định các giá trị củalực truyền qua các khớp của cơ cấu Kết quả này sẽ là cơ sở cho việc thiết kế lựa chọn kích

cỡ các khâu, các ổ đỡ của robot, cũng như lựa chọn các động cơ dẫn động thích hợp Ở bàitoán này, chúng ta tiến hành phân tích tĩnh học bằng phương pháp tách cấu trúc và xét cânbằng từ khâu cuối

Biết lực/momen tác dụng vào khâu cuối là  f n,

là vector có gốc tại Oi và mút tại Oi-1

Chiều dài các khâu được ký hiệu là ai (i 1,3).

0 1 1

1 2 2

2 3 3

650600150

Khoảng cách từ gốc Oi đến trọng tâm Ci của mỗi khâu được ký hiệu là bi (i 1,3).

Điều kiện cân bằng của khâu i:

, 1 1, , 1 1,

Trong đó, khâu cuối i=n: f4,3 f

, n 4,3  n  được cho trong hệ tọa độ cố định 0:

Vector gia tốc trọng trường trong hệ quy chiếu cố định là:

C

x y z

3 3 123 2 2 12 3 123 2 12 3 3 123

3 2 2 12

00

3 3 123 2 2 12 1 1 1 3 123 2 12 1 1 3 3 123

3 2 2 12 3 2 1 1 1

00

Vị trí ban đầu của các khâu:

Thông số q1 (rad) q2 (rad) q3 (rad)

Chương 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC

5.1 Thiết lập PTVPCĐ Lagrange loại 2 dạng ma trận:

( ) ( , ) ( )

M q q C q q q g q   Bu

Ta sẽ biểu diễn lần lượt các số hạng trong công thức trên như sau:

Ma trận khối lượng suy rộng:

3

0 ( ) 0 1

Tk k Tk Rk k Ck k Rk k

00

1

00

Chương 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG6.1 Thiết kế hệ dẫn động

6.1.1 Một số hệ dẫn động thường dùng

Có nhiều hộp giảm tốc được sử dụng trong thiết kế robot công nghiệp, phụ thuộc vàoyêu cầu kĩ thuật, mục đích ứng dụng của robot ta có thể chọn được loại hộp giảm tốc phùhợp Dưới đây là một số hộp giảm tốc thông dụng

6.1.1.1 Hộp giảm tốc bánh răng trụ

Hình 6.1 Bánh răng trụ

Hộp giảm tốc bánh răng trụ có đặc điểm sau:

 Hiệu suất truyền không cao

 Tỉ số kích thước trên tỉ số truyền lớn

 Độ chính xác không cao