Khảo sát động học và mô phỏng robot trong gia công bằng tia laze

Để có thể ứng dụng robot vào những công việc đòi hỏi thao tác tinh vi nhất, cần có thêm nhiều nỗ lực nhằm làm chủ các quá trình động học và động lực học.. Nhằm đáp ứng phần nào các đòi h

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

-

PHẠM NGỌC HẢI

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT

TRONG GIA CÔNG BẰNG TIA LAZE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội - 2016

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

-

PHẠM NGỌC HẢI

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT

TRONG GIA CÔNG BẰNG TIA LAZE

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS PHAN BÙI KHÔI

Hà Nội - 2016

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Phạm Ngọc Hải

Lớp: 14BCTM – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tên đề tài: Khảo sát động học và mô phỏng robot trong gia công bằng tia laze

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Mã số: CB140308

Tôi xin cam đoan, đây là luận văn của riêng tôi Các kết quả mới 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 28 tháng 9 năm 2016

Người viết

Phạm Ngọc Hải

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12

1.1 Ứng dụng robot trong gia công bằng tia laze 12

1.1.1 Robot công nghiệp 12

1.1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong gia công cơ khí 12

1.1.3 Ứng dụng robot trong gia công bằng tia laze 22

1.2 Cấu trúc động học robot gia công bằng tia laze 37

1.2.1 Cấu trúc chung của robot công nghiệp 37

1.2.2 Cấu trúc chung của robot gia công bằng tia laze 39

1.2.3 Cơ cấu chấp hành của robot gia công bằng tia laze 42

1.3 Cơ sở khảo sát động học robot 42

1.3.1 Tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 42

1.3.2 Phương pháp Denavit-Hartenberg 46

1.3.3 Phương pháp ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg 47

CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT TRONG GIA CÔNG BẰNG TIA LAZE 49

2.1 Các hệ tọa khảo sát, các tham số động học 49

2.1.1 Các hệ tọa độ khảo sát 49

2.1.2 Các tham số động học Denavit-Hartenberg 50

2.1.3 Các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg 50

2.2 Thiết lập phương trình động học robot 51

2.2.1 Ma trận trạng thái khâu thao tác theo trạng thái thao tác gia công công nghệ 51

2.2.2 Ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học 52

2.2.3 Phương rình động học robot 52

2.3 Phương pháp giải các bài toán động học robot 53

2.3.1 Bài toán động học thuận 53

2.3.2 Bài toán động học ngược 55

2.3.3 Phương pháp số giải bài toán động học ngược 58

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT GIA CÔNG BẰNG TIA LAZE 59

3.1 Thiết kế mô hình cấu trúc robot gia công bằng tia laze 59

3.1.1 Các phần mềm thiết kế cơ khí 59

3.1.2 Thiết kế cấu trúc 3D cơ cấu chấp hành của robot 60

3.1.3 Tạo dữ liệu định dạng cấu trúc robot 63

3.2 Tính toán quy luật chuyển động của robot 64

3.2.1 Giải thuật tính toán 64

3.2.2 Lập trình bằng ngôn ngữ Maple 65

3.2.3 Mô phỏng số các kết quả tính toán 69

3.3 Mô phỏng hoạt động của robot 86

3.3.1 Thiết kế giao diện chương trình mô phỏng robot 87

3.3.2 Cấu trúc chương trình 90

3.3.3 Mô phỏng hoạt động thao tác của robot 92

KẾT LUẬN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Đặc điểm của một số loại laze phổ biến 24

Bảng 1.2 Bảng tham số động học theo Denavit-Hartenberg 47

Bảng 2.1 Bảng tham số động học theo D-H 50

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ làm việc của robot RBM–5 phục vụ máy đột dập cỡ nhỏ 15

Hình 1.2 Sơ đồ bố trí robot phục vụ nhiệt luyện bánh răng 16

Hình 1.3 Sơ đồ làm việc của robot trên dây chuyền hàn vỏ ô tô Toyota 17

Hình 1.4 Robot phục vụ máy tiện bán tự động 18

Hình 1.5 Cơ cấu phân phối phụ 19

Hình 1.6 Sơ đồ bố trí robot phối hợp làm việc trên dây chuyền tự động 20

Hình 1.7 Dây chuyền máy phay tự động có hai robot phục vụ 20

Hình 1.8 Tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot 22

Hình 1.9 Sơ đồ phân bố tỷ lệ các loại robot với các loại phương pháp điều khiển khác nhau 22

Hình 1.10 Nguyên lý gia công chùm tia laze 23

Hình 1.11 Nguyên lý gia công chùm tia laze 25

Hình 1.12 Cắt bằng tia laze 26

Hình 1.13 Máy gia công bằng tia laze trên mặt phẳng 34

Hình 1.14 Công đoạn cắt hình bằng máy laze 34

Hình 1.15 Cấu trúc cơ bản 1 máy gia công bằng tia laze 35

Hình 1.16 Các sản phẩm được gia công bằng máy laze 35

Hình 1.17 Các tay máy ứng dụng gia công bằng tia laze 36

Hình 1.18 Robot gia công bằng tia laze được gắn trên giá để tăng phạm vi gia công 37

Hình 1.19 Cấu trúc chung của robot công nghiệp 38

Hình 1.20 Ví dụ về các kết cấu modun 39

Hình 1.21 Cấu trúc chung của robot gia công bằng tia laze 40

Hình 1.22 Mô hình 3D của robot ba bậc tự do 41

Hình 1.23 Mô hình robot gia công điển hình với năm bậc tự do 42

Hình 1.24 Khảo sát vật B trong hệ quy chiếu 43

Hình 1.25 Gắn các khâu của robot theo trục dọc các khớp 46

Hình 1.26 Khâu của robot dịch chuyển theo trục dọc khớp 47

Hình 2.1 Hệ trục tọa độ của Robot năm bậc tự do 49

Hình 3.1 Giao diện SolidWorks 60

Hình 3.2 Các loại tài liệu trong SolidWorks 61

Hình 3.3 Hình vẽ 3D chi tiết khâu 1 được gắn với giá cố định 62

Hình 3.4 Hình vẽ 3D chi tiết khâu 2 của robot laze 62

Hình 3.5 Hình vẽ 3D chi tiết khâu 3 của robot laze 62

Hình 3.6 Hình vẽ 3D chi tiết khâu 4 của robot laze 62

Hình 3.7 Hình vẽ 3D chi tiết khâu 5 (khâu thao tác cuối) của robot laze 62

Hình 3.8 Xuất dữ liệu mô hình ra định dạng STL 63

Hình 3.9 Màn hình giao diện chương trình tính toán Maple của hãng Maplesoft 66

Hình 3.10 Mô hình robot laze gia công lỗ tròn trên bề mặt nằm ngang của vỏ máy 70

Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn quy luật chuyển động của mũi laze 71

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn quy luật về vận tốc chuyển động của mũi laze 71

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn quy luật về gia tốc chuyển động của mũi laze 72

Hình 3.14 Đồ thị biểu diễn vị trí các khâu thao tác 72

Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn vận tốc các khâu thao tác 73

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn gia tốc các khâu thao tác 73

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn vị trí khâu 1 74

Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn vận tốc khâu 1 74

Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn gia tốc khâu 1 74

Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn vị trí khâu 2 75

Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn vận tốc khâu 2 75

Hình 3.22 Đồ thị biểu diễn gia tốc khâu 2 75

Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn vị trí khâu 3 76

Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn vận tốc khâu 3 76

Hình 3.25 Đồ thị biểu diễn gia tốc khâu 3 76

Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn vị trí khâu 4 77

Hình 3.27 Đồ thị biểu diễn vận tốc khâu 4 77

Hình 3.28 Đồ thị biểu diễn gia tốc khâu 4 77

Hình 3.29 Đồ thị biểu diễn vị trí khâu 5 78

Hình 3.30 Đồ thị biểu diễn vận tốc khâu 5 78

Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn gia tốc khâu 5 78

Hình 3.32 Đồ thị biểu diễn vị trí mũi laze 79

Hình 3.33 Đồ thị biểu diễn vận tốc mũi laze 79

Hình 3.34 Đồ thị biểu diễn gia tốc mũi laze 80

Hình 3.35 Đồ thị biểu diễn vị trí theo phương x của mũi laze 80

Hình 3.36 Đồ thị biểu diễn sai lệch vị trí theo phương x của mũi laze 81

Hình 3.37 Đồ thị biểu diễn vị trí theo phương y của mũi laze 81

Hình 3.38 Đồ thị biểu diễn sai lệch vị trí theo phương y của mũi laze 81

Hình 3.39 Đồ thị biểu diễn vị trí theo phương z của mũi laze 82

Hình 3.40 Đồ thị biểu diễn sai lệch vị trí theo phương z của mũi laze 82

Hình 3.41 Đồ thị biểu diễn vận tốc theo phương x của mũi laze 82

Hình 3.42 Đồ thị biểu diễn sai lệch vận tốc theo phương x của mũi laze 83

Hình 3.43 Đồ thị biểu diễn vận tốc theo phương y của mũi laze 83

Hình 3.44 Đồ thị biểu diễn sai lệch vận tốc theo phương y của mũi laze 83

Hình 3.45 Đồ thị biểu diễn vận tốc theo phương z của mũi laze 84

Hình 3.46 Đồ thị biểu diễn sai lệch vận tốc theo phương z của mũi laze 84

Hình 3.47 Đồ thị biểu diễn gia tốc theo phương x của mũi laze 84

Hình 3.48 Đồ thị biểu diễn sai lệch gia tốc theo phương x của mũi laze 85

Hình 3.49 Đồ thị biểu diễn gia tốc theo phương y của mũi laze 85

Hình 3.50 Đồ thị biểu diễn sai lệch gia tốc theo phương y của mũi laze 85

Hình 3.51 Đồ thị biểu diễn gia tốc theo phương z của mũi laze 86

Hình 3.52 Đồ thị biểu diễn sai lệch gia tốc theo phương z của mũi laze 86

Hình 3.53 Hệ tọa độ được gắn với khâu 1 của robot 87

Hình 3.54 Hệ tọa độ được gắn với khâu 2 của robot 88

Hình 3.55 Hệ tọa độ được gắn với khâu 3 của robot 88

Hình 3.56 Hệ tọa độ được gắn với khâu 4 của robot 88

Hình 3.57 Hệ tọa độ được gắn với khâu 5 (khâu thao tác cuối) của robot 88

Hình 3.58 Tùy chọn hiệu chỉnh file định dạng *.STL 89

Hình 3.59 Giao diện chung mô phỏng hoạt động cuả robot với đối tượng công nghệ 90

Hình 3.60 Giao diện chọn đường dẫn tới file cấu trúc robot 91

Hình 3.61 Giao diện chọn đường dẫn tới file dữ liệu mô phỏng robot 91

LỜI MỞ ĐẦU

Vào những năm 1920 khái niệm robot đã xuất hiện, đến cuối những năm 1940

có những robot thực sự đầu tiên Đến những năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hóa làm cho các thiết bị điều khiển nhiều trục như robot và máy CNC có sự chuyển biến đáng kể về mặt công nghệ Những năm gần đây các thành tựu về cơtin - điện tử, các hệ chuyên gia, mạng nouron và công nghệ nano, làm cho lĩnh vực robot

có một bước tiến dài, mở rộng phạm vi ứng dụng ra nhiều mặt và trở thành một chuyên ngành hấp dẫn nhất của kỹ thuật

1-Tính cấp thiết của đề tài

Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá khứ, những cuộc cách mạng làm thay đổi cả thế giới chúng ta đang sống Robot và tự động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là giải phóng con người

ra khỏi những lao động nặng nhọc

Mặc dù robot và robot công nghiệp đã và đang được sử dụng rộng rãi song bản thân là giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không ngừng phát triển nên luôn có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn Bên cạnh đó động học, động lực học robot vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ khi phân tích khảo sát theo phương pháp giải tích Điều đó thể hiện rằng những ứng xử của cấu trúc trong quá trình làm việc, chưa được hiểu biết đầy đủ Để có thể ứng dụng robot vào những công việc đòi hỏi thao tác tinh vi nhất, cần có thêm nhiều nỗ lực nhằm làm chủ các quá trình động học và động lực học

Ngày nay robot đã được sử dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn chưa được khai thác đúng mức ở Việt Nam Ngoài nguyên nhân về đầu tư ban đầu lớn, thì một trong những nguyên nhân khác là do chưa có đầu tư nghiên cứu đầy đủ trong nước, khiến các kiến thức chuyên nghành của lĩnh vực này chưa được phổ cập cho lực lượng sử dụng thiết bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật này Mặt khác có những kỹ thuật đang sử dụng rất phức tạp, việc tiếp cận đối với những vấn

đề này có nhiều trở ngại, nếu có thể thay thế bằng một kỹ thuật đơn giản hơn sẽ tạo thuận lợi đáng kể

Các thông số điều khiển robot như quỹ đạo, vận tốc, gia tốc, lực…trên các robot nhập ngoại đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên thiết bị Trong khi đó để thực hiện các công việc phức tạp, các dữ liệu này cần can thiệp điều chỉnh theo ý đồ Điều đó đã gây khó khăn cho người sử dụng trong chuẩn bị dữ liệu Việc gia công các đường cong ghềnh không gian nằm trong khả năng của cấu trúc chấp hành, song vượt ra ngoài khả năng của hệ điều khiển được trang bị

Nhằm đáp ứng phần nào các đòi hỏi trên đây, ta tập trung nghiên cứu giải

quyết vấn đề: “Khảo sát động học và mô phỏng robot trong gia công bằng tia laze”

2-Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu về các đặc tính làm việc của robot gia công bằng tia laze Đánh giá tính hiệu quả các phương pháp đó trên phương diện mô phỏng trên phần mềm như thời gian thực hiện, độ chính xác của dữ liệu, cơ cấu chấp hành

và khả năng ứng dụng máy tính của từng phương pháp

3 - Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, có cấu trúc chuỗi động học hở Chủ yếu tập trung vào phương pháp giải bài toán động học thuận, động học ngược, xác định các thông số tọa độ suy rộng phục vụ điều khiển chuyển động Các thông số động học được xác định qua mô hình toán, việc xác định các thông số này bằng con đường lí thuyết, sau đó kiểm chứng lại kết quả với cách làm truyền thống, kết quả mô phỏng, sẽ đảm bảo tính khách quan của vấn đề

4-Ý nghĩa của đề tài

thể nghiên cứu về việc giữ ổn định cho cấu trúc thông qua hạ thấp trọng tâm cơ cấu, tránh va đập, dịch chuyển tối thiểu, xác định vùng làm việc…

-Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong nghiên cứu về robot gia công bằng tia laze hoặc ứng dụng vào quá trình chuẩn bị sản xuất trong thực tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Ứng dụng robot trong gia công bằng tia laze

1.1.1 Robot công nghiệp

Theo định nghĩa robot công nghiệp

Robot công nghiệp là máy, thiê ́t bi ̣ cố định hoặc di động, được tích hợp từ nhiều

bô ̣ phận trong đó các bộ phận chính bao gồm:

1 Cơ cấu chấp hành,

2 Hệ thống dẫn đô ̣ng,

3 Hệ thống điều khiển theo chương trình có khả năng lâ ̣p trình linh hoa ̣t,

4 Hệ thống thông tin giám sát,

5 Hệ thống năng lượng

Nhờ vâ ̣y robot công nghiệp có khả năng thao tác tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người

Robot công nghiệp đã được ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến trên thế giới, nó

có thể tham gia vào các quá trình sản xuất, sửa chữa, chế tạo trong tất cả các ngành như: Công nghiệp, nông nghiệp, y học, vũ trụ, khai khoáng, …

1.1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong gia công cơ khí

a Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp (Nguyễn Thiện Phúc, 2002)

Nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot, đã đúc kết lại qua bao nhiêu năm được ứng dụng ở nhiều nước Những ưu điểm cơ bản đó là:

- Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế, robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương

lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội Theo số liệu của Nhật Bản thì nếu một robot làm việc thay thế cho người thợ thì tiền mua robot chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ trong vòng ba đến năm năm, tùy theo robot làm việc mấy ca

- Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc rất chong mệt mỏi Theo số liệu của Hãng Fanuc, Nhật Bản, thì năng suất có khi tăng lên đến ba lần

- Ứng dụng robot có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần lưu tâm Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực hoặc

ồn ào quá mức cho phép nhiều lần Thậm chí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm việc với môi trường độc hại nguy hiểm đến sức khỏe con người, dễ bị cụt chân tay, dễ bị nhiễm hóa chất độc hại, nhiễm sóng điện từ và phóng xạ, …

b Các bước ứng dụng robot

Việc ưu tiên đầu tư trước hết phải nhằm để đồng bộ hóa cả hệ thống thiết bị, rồi tự động hóa và robot hóa chúng khi cần thiết Để quyết định đầu tư cho việc robot hóa cho cả dây chuyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn, người ta thường xem xét các mặt sau:

- Nghiên cứu quá trình công nghệ được robot hóa và phân tích toàn bộ hệ thống sản xuất của xí nghiệp Trong bước này cần xem xét đến đầy đủ các chi phí

và nếu hiệu quả tính ra cho toàn bộ hệ thống không thể hiện rõ thì việc đầu tư robot hóa là chưa nên

- Xác định các đối tượng cần robot hóa Khi xác định nên thay thế robot ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả năng liệu robot có thay thế được không và có hiệu quả hơn không Thông thường người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi bặm, ồn ào, độc hại, căng thẳng hoặc quá đơn điệu Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng robot thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một

số công đoạn mà đòi hỏi sự khéo léo của con người

- Xây dựng mô hình quá trình sản xuất đã được robot hóa Sau khi xác định được sơ đồ tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định rõ dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phẩm để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ của toàn hệ thống Có thế mới phát huy được hiệu quả đầu tư vốn

- Chọn lựa mẫu robot thích hợp hoặc chế tạo robot chuyên dùng Đây là bước quan trọng, vì robot có rất nhiều loại với giá tiền rất khác nhau, nếu không chọn đúng thì có thể không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được, như kiểu dùng người không đúng chỗ, việc này thường xẩy ra khi mua robot của nước ngoài

Có những chức năng của robot được trang bị nhưng không cần dùng cho công việc

cụ thể mà bó đảm nhiệm trên dây chuyền sản xuất Vì thế mà đội giá lên rất cao, chỉ

có lợi cho nơi cung cấp thiết bị

Cấu trúc robot hợp lý nhất là cấu tríc theo modun hóa Như thế có thể hạ giá thành sản xuất, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phục vụ công việc đa dạng Cấu trúc càng đơn giản càng dễ thực hiện độ chính xác cao và hạ giá thành Ngoài ra lại còn có tự tạo dựng các robot thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modun chuẩn hóa Đó là hướng triển khai hợp lí đối với đại bộ phận xí nghiệp trong nước hiện nay cũng như trong tương lai

c Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp (Nguyễn Thiện Phúc, 2002)

- Một trong các lĩnh vực đó là kỹ nghệ đúc Thường trong phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác Việc tự động hóa toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây chuyền tự động thông thường với các máy tự động chuyên dụng đòi hỏi phải có các thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn Ngày nay ở nhiều nước trên thế giới robot được dùng rộng rãi để tự động hóa công nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để phục vụ các máy đúc áp lực Robot có thể làm nhiều việc như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc ra khỏi khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát, … Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm Ví dụ, đảm bảo ổn định chế độ

làm việc; chuẩn hóa về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép Bởi thế, chất lượng vật đúc tăng lên

- Trong ngành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng robot công nghiệp Trong phân xưởng rèn robot có thể thực hiện nhiều việc, ví dụ như đưa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung nóng ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn, chuyển lật phôi trong khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thùng, … Sử dụng các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đưa năng suất tăng 1,5 đến 2 lần và hoàn toàn giảm nhự lao động của công nhận So với các phương tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng robot có ưu điểm là nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn

Hình 1.1 Sơ đồ làm việc của robot RBM–5 phục vụ máy đột dập cỡ nhỏ

Trên Hình 1.1 là sơ đồ làm việc của robot từ vị trí (1) quay sang phải tới vị trí (2) rồi hạ xuống vị trí (3) Sau khi kẹp chi tiết tay máy nâng lên vị trí (4) rồi quay

sang tới vị trí (5) và hạ xuống vị trí (6) để đặt chi tiết vào băng chuyền Tay máy tiếp tục nâng lên tới vị trí (7) và quay sang vị trí xuất phát (8) chờ tín hiệu mở máy

Ở đây dùng các ngoại tín hiệu từ LS1, LS2, LS3 báo vị trí cao nhất của đầu trượt, vị trí trên và dưới của thiết bị nâng phôi

- Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật robot công nghiệp

Hình 1.2 Sơ đồ bố trí robot phục vụ nhiệt luyện bánh răng

Trên Hình 1.2 giới thiệt sơ đồ bố trí robot phục vụ việc nhiệt luyện báng răng

ở Công ty Kawasaki Nhật bản Bánh răng chiếm các vị trí sau đây trong quá trình nhiệt luyện: 1 – vị trí trong lò; 2 – vị trí chờ vào lò nung; 3 – vị trí lấy từ băng chuyền; 4 – vị trí trên máy ép; 5 – vị trí trên băng chuyền khi đã nhiệt luyện xong Tay máy (6) trong vùng hoạt động (7) ngoài việc vươn tới các vị trí kể trên còn điều khiển thiết bị phụ đưa chi tiết ra vào lò nung

Robot được sử dụng phổ biến nhất là trong việc tự động hóa quá trình hàn, đặc biệt trong kỹ nghệ ô tô Trên Hình 1.3 là sơ đồ làm việc của robot trên dây chuyền hàn vỏ ô tô Toyota (Nhật Bản)

Hình 1.3 Sơ đồ làm việc của robot trên dây chuyền hàn vỏ ô tô Toyota

Khi sử dụng robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn chạy theo đường cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh được phương và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hàn Nhiệm vụ đó cần được xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có liên hệ phản hồi Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công việc hàn nếu thông số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn được điều khiển bằng một chương trình thống nhất, đồng thời nếu được trang bị các bộ phận cảm biến, kiểm tra và hiệu chỉnh Ngoài ra robot hàn còn phát huy tác dụng lớn khi hàn trong những môi trường đặc biệt

- Robot được dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp ráp Thường thường người ta sử dụng robot chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động, … Trên Hình 1.4 là một ví

dụ ứng dụng robot phục vụ máy tiện bán tự động gia công các trục bé Robot RBM – 100 lần lượt lấy phôi đã được xếp thành dãy đưa vào mâm cặp chuyên dùng, kẹp

chặt bằng thủy lực Rồi sau khu gia công xong lại tháo chi tiết xếp vào băng chuyền Trên tay máy lắp hai bàn kẹp, dùng cho phôi và dùng cho sản phẩm Các con số trên hình vẽ chỉ các vị trí liên tiếp của tay máy Dưới thân máy có băng tải thoát phoi

Trong ngành chế tạo máy và dụng cụ đo chi phí về lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm Trong lúc đó mức độ cơ khí hóa lắp ráp không quá 10  15% đối với sản phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn Bởi vậy việc tạo ra và sử dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng

Hình 1.4 Robot phục vụ máy tiện bán tự động

Phân tích quá trình lắp ráp chúng ta thấy rằng con người khi gá đặt các chi tiết để lắp chúng với nhau thì có thể làm nhanh hơn các thiết bị tự động, nhưng khi thực hiện các động tác khác trong quá trình ghép chặt chúng thì chậm hơn Bởi vậy yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề quan trọng cần quan tâm nhất khi thiết kế các loại robot lắp ráp Ngoài ra, yêu cầu hiện nay đối với các loại robot lắp ráp là nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích hợp với sản xuất loại nhỏ

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền tự động gồm các máy vạn năng với robot công nghiệp Các dây chuyền đó đạt mức độ tự động cao, tự động hoàn toàn

không có con người trực tiếp tham gia, rất linh hoạt và không đòi hỏi đầu tư lớn Ở đây các máy và robot trong dây chuyền được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình

Hình 1.5 Cơ cấu phân phối phụ

Để mở rộng phạm vi và khả năng hoạt động của robot người ta còn dùng các thiết bị phân phối phụ Trên Hình 1.5 giới thiệu một loại cơ cấu phân phối (3) có dạng khung chữ thập xoay Ở mỗi đầu nhánh của khung chữ thập được lắp một bàn kẹp để nhận phôi do robot (2) theo lệnh của bàn điều khiển (1) lấy từ ổ (10) đưa tới Rồi các tay máy đơn giản (5, 7, 9) lần lượt đưa phôi vào mâm cặp của các máy tiện bán tự động (4, 6, 8) Theo trình tự ngược lại các cơ cấu phụ và robot sẽ lần lượt đưa các chi tiết đã gia công xong ra ngoài

Hình 1.6 Sơ đồ bố trí robot phối hợp làm việc trên dây chuyền tự động

Trong một dây chuyền tự động có các máy điều khiển theo chương trình robot có thể đứng một chỗ, chuyển dịch trên đường ray hoặc treo di động Trên Hình 1.6 hai robot (2) và (12) đứng tại chỗ, phối hợp với robot (7) treo di động trên đường trượt (5) phục vụ bốn máy (3, 11, 14, 15) điều khiển theo chương trình Ngoài ổ phôi (4), thùng đựng chi tiết (8) và (10) còn có bàn lật phôi (6) và (9)

Sử dụng robot treo di động, có thể đơn giản hóa dây chuyền tự động, nhất là khi gia công các chi tiết phức tạp Một robot treo di động có thể phục vụ không phải bốn máy như trên hình 1.6 mà 10  15 máy hoặc hơn nữ như trên Hình 1.7

Hình 1.7 Dây chuyền máy phay tự động có hai robot phục vụ

Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình

đã cho phép tìm được những phương thực mới mẻ để tạo nên các dây chuyền tự động cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm Dây chuyền tự động

“cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo trong lúc quy trình chông nghệ luôn luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi Bởi vậy nhu cầu “mềm” hóa hay là linh hoạt hóa dây chuyền sản xuất ngày càng tăng Kỹ thuật robot công nghiệp và máy vi tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt

Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa sản xuất, trong những năm gần đây không những chỉ các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ thống sản xuất linh hoạt (SXLH) Trong các tài liệu nước ngoài thường dùng các từ việt tắt theo tiếng Anh FMS (Flexible Manufacturing System) để diễn tả hệ sản xuất linh hoạt Hệ SXLH ngày nay thường bao gồm các thiết bị gia công được điều khiển bằng chương trình số, các phương tiện vận chuyển và kho chứa trong phân xưởng

đã được tự động hóa và nhóm robot công nghiệp ở các vị trí trực tiếp với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công phụ Việc điều khiển và kiểm tra hoạt động toàn bộ hệ SXLH là rất thích hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lượng sản phẩm và quy trình công nghệ Bởi vậy ngày nay hệ SXLH thu hút sự chú ý không những ở các nước phát triển và ngay

cả ở các nước đang phát triển Trong một số tài liệu nước ngoài hệ FMS này được diễn giải như hệ sản uất của tương lai

Hình 1.8 Tỷ lệ phân bố về loại công việc

Hình 1.9 Sơ đồ phân bố tỷ lệ các loại robot với

các loại phương pháp điều khiển khác nhau

A - Tay máy điều khiển bằng tay: 4%

B - Robot được điều khiển theo chu kỳ cứng:

1.1.3 Ứng dụng robot trong gia công bằng tia laze

a.Giới thiệu về gia công bằng tia Laze

Laze là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh (Light Amplification by Stimulated Emission ò Radiation) Nó có nghĩa là quá trình khuếch tán đại ánh sáng bằng phát

xạ kích thích Lý thuyết bức xạ ánh sáng được nhà bác học Albert Einstein giới thiệu vào năm 1917 nhưng laze hồng ngọc lần đầu tiên được phát minh bởi Theodore Maiman vào năm 1960 Nhiều loại laze sau đó đã được phát triển và laze

đã được ứng dụng rộng rãi như để xử lý bề mặt, để gia công, để hàn, để giao tiếp, để phẫu thuật, sử dụng trong quân đội,

Gia công bằng tia laze là quá trình cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúc vật liệu bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc vào chi tiết gia công Bằng việc hội tụ tia laze tại một diện tích nhỏ (đến 1/100 mm2), tia laze có thể tạo ra năng lượng tập trung đến 100.000 kW/cm2 Năng lượng này đủ để làm nóng chảy và bay hơi bất cứ vật liệu kỹ thuật nào Gia công laze không cho phép bóc tách vật liệu với khối lượng lớn nhưng nó cho tốc độ cắt cao và với dụng cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và không mòn

b.Hệ thống gia công laze

Hình 1.10 Nguyên lý gia công chùm tia laze Trên Hình 1.10 hệ thống bao gồm ba bộ phận chính: Đầu phát laze, bộ phận

cung cấp điện và điều khiển Bàn gá (có thể được điều khiển CNC) Đầu phát laze

để tạo ra tia laze là bộ phận quan trọng nhất

Đầu phát laze hoạt động như sau:

Vật liệu tạo laze (ví dụ rubi) được phát sáng bởi nguồn sáng (đèn phát xung bằng khí xenon) bao xung quanh nó Thành trong của buồng phản xạ có tính phản xạ

cao nên ánh sáng phát ra được tập trung vào thanh vật liệu tạo laze làm thanh này bị

“xốc” và cộng hưởng để tạo thành tia laze Ánh sáng flash được tạo ra cùng lúc lóe sáng làm tia laze càng mạnh Chùm tia laze phát ra được một hệ thống thấu kính hội

tụ tập trung vào vật liệu gia công làm vật liệu này bọ nóng chảy, bốc hơi và xói mòn

Năng lượng laze có thể liên tục hoặc dạng xung và nó có thể điều chỉnh được Năng lượng dạng xung nhằm tạo ra công suất laze cao để chống lại sự mất nhiệt trong quá trình gia công Năng lượng dạng liên tục có thể sử dụng ở dạng xung nhờ một cửa đóng/mở

Trên thực tế, laze có bốn loại là laze rắn, laze lỏng, laze khí và laze gama trong đó laze rắn là thông dụng nhất Các loại laze phổ biến trong công nghiệp và đặc điểm của chúng được cho trong bảng dưới đây:

Hồng ngọc 694,3 - Thể rắn; dạng xung; công suất 5W; là laze sử dụng gia

công kim cương đầu tiên; để khoan lỗ, hàn điểm

Khí; dạng xung; sóng liên tục; dải công suất rộng rừ vài

W đến hàng chục kW; dùng rộng rãi cho gia công vật liệu; thích hợp với vật liệu phi kim loại

Ar 514,5;

488 Ion; dạng xung; sóng liên tục; công suất 1W đến 5kW

Kr 647,1 Ion; dùng trong phẫu thuật, kính quang phổ Raman

Excimer 200-500 Ion; dạng xung; tia dạng hình chữ nhật; năng lượng từ

1-1000 mJ Khí trơ

He-Ne

632,8 Sóng liên tục; công suất 0,5-50mW

Bảng 1.1 Đặc điểm của một số loại laze phổ biến

* Sau đây là nguyên lý gia công của một loại máy điển hình: trên máy K-3M

Hình 1.11 Nguyên lý gia công chùm tia laze

10) Tế bào quang điện

- Nguồn điện công nghiệp 1 qua biến thế và nắn dòng được nạp vào hệ thống

tụ Điện áp tối đa của tụ là 2 KV để điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung 3 đặt ở trong bộ phận phản xạ ánh sáng 2 (tiết diện ngang hình elip)

- Khi đèn 3 phát sáng, toàn bộ năng lượng sẽ tập trung tại vị trí có đặt thanh hồng ngọc 4

- Những ion Cr+3 của thanh hồng ngọc bị kích lên mức năng lượng cao, khi tụt xuống chúng sẽ phát ra những lượng tử

- Nhờ hệ dao động của các gương phẳng 5 và 6, những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần qua thanh hông ngọc và kích các ion Cr+3 khác để rồi cùng phóng ra chùm tia lượng tử

- Gương 5 có độ phản xạ ánh sáng gần 99%, còn gương 6 gần 50% Nhờ đó,

một mặt ta vẫn nhận được chùm tia laze ở phía dưới, mặt khác khoảng 1% chùm tia phát ra qua gương 5 sẽ được tế bào quang điện 10 thu lại và qua hệ thống chuyển đổi ta biết được năng lượng của chùm tia đã phát ra khỏi máy

- Chùm tia nhận được qua gương 6 sẽ được tập trung bởi hệ quang học 7 và tác dụng lên chi tiết gia công 8 (đặt trên bàn máy 9) có khả năng di chuyển tọa độ theo 3 phương X, Y, Z

- Khi tập trung tia laze vào vị trí gia công cần chọn hệ thống quang học và chế độ gia công như năng lượng chùm tia tới, thời gian xung tác dụng của chùm tia, tiêu cự của hệ thống quang học và số xung laze

- Quá trình tác dụng của chùm tia laze vào vị trí gia công được chia ra các giai đoạn sau:

+ Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laze và chuyển năng lượng này thành nhiệt năng

+ Đốt nóng vật liệu gia công tới nhiệt độ có thể phá hỏng vật liệu đo Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đối bị giới hạn về một phía theo phương tác dụng của chùm tia kể từ bề mặt tác dụng …

+ Phá hỏng vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công Giai đoạn này ứng với quá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luôn luôn thay đổi theo phương tác dụng của chùm tia laze

+ Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laze tác dụng xong

Hình 1.12 Cắt bằng tia laze

- Giai đoạn 2: Vật liệu gia công bị chảy ra khi nó bị nung nóng đến nhiệt độ chảy

- Giai đoạn 3: Giai đoạn bay hơi – vật liệu gia công bị bay hơi và bị lấy đi nhờ khí thối vào vùng gia công

d Thiết bị và dụng cụ

* Các loại Laze:

Theo Tạp chí Logaritvietnam (2011), có nhiều cách để phân loại Lase, nhưng thông thường người ta thường phân loại laze theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính của chúng Có thể chia laze thành bốn loại chính như sau: laze rắn, laze bán dẫn, laze lỏng và laze khí

- Laze rắn:

Trong laze rắn thì môi trường hoạt tính là chất rắn Vật liệu của chất rắn kích thích có thể là florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc tổng hợp, ytri – nhôm - granat (YAG), Neodim - ytrinhôm - granat (Nd:YAG),…

Tạp chất tích cực chứa trong các chất kể trên thường là các thành phần đất hiếm, crôm và uranium Vật liệu thường dùng là hồng ngọc nhân tạo

Nhược điểm của loại laze rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7% Tuy nhiên, loại laze rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, …

- Laze khí:

Ưu điểm của loại laze khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục Dải bước sóng của loại laze khí kéo dài tư sóng mm cho đến vùng tử ngoại Môi trường hoạt tính của loại laze khí là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt cacbon, cacbonic, hơi nước, …

So sánh với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất cao, nó không gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của sự phát xạ laze trong chất khí rất cao Laze excimer là laze khí dùng trong vi gia công, gia công chất bán dẫn và phẫu thuật mắt Chất khí dùng để tạo tia laze là hỗ hợp khí trơ với halogen Trong một lần phóng điện, một nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạo thành một chất nhị trùng

- Laze lỏng:

Một trong những hướng phát triển mới của laze là laze có môi trường hoạt tính chất lỏng Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi Nhược điểm của các loại laze hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ

để tránh sự phân hủy nói trên Loại laze chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laze rắn với hợp chất nêodim Hiện nay

loại laze vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun

Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp Nói chung, cũng như các loại laze khác, laze chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laze

- Laze Gama:

Một trong những hướng phát triển mới của laze là laze có môi trường hoạt tính chất lỏng Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi Nhược điểm của các loại laze hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ

để tránh sự phân hủy nói trên Loại laze chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laze rắn với hợp chất nêodim Hiện nay loại laze vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun

Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp Nói chung, cũng như các loại laze khác, laze chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laze

Về nguyên lý chung, laze Gamma làm việc cũng tương tự như các laze khác Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường hoạt tính của loại laze này phức tạp hơn nhiều Khả năng tiềm tàng của loại laze này rất lớn tuy nhiên kỹ thuật chế tạo nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổ biến rộng rãi Nhờ sự ra đời của laze Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, tư hồng ngoại

cho đến bước sóng một vài amstrong (Ao) Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laze

* Cấu tạo máy laze:

- Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laze gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laze, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laze là bộ phận chủ yếu

- Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laze, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laze Khi một photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là một photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới Mặt khác buồng công hưởng có hai mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ tồn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laze nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laze được khuếch đại lên nhiều lần Tính chất của laze phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laze

e Ưu nhược điểm của gia công laze

* Ưu điểm:

- Dụng cụ không tiếp xúc với chi tiết gia công; không có mòn dụng cụ

- Lực tác dụng lên chi tiết gia công rất nhỏ (có thể bỏ qua)

- Có thể gia công được hầu hết các loại vật liệu, kể cả các vật liệu rất cứng vào khó gia công như kim cương, gốm, hợp kim cứng,

- Có thể gia công được các lỗ rất nhỏ và sâu

- Tốc độ gia công rất nhanh

- Dễ tự động hóa việc điều khiển quá trình gia công

* Nhược điểm:

- Giá thành thiết bị cao

- Khó gia công các lỗ sâu không thông

- Không gia công được các lỗ sâu quá 50 mm

- Để lại các kim loại trên miệng hố gia công nên cần làm sạch chúng

f Ứng dụng của gia công laze

* Khoan laze

Khoan laze có thể thực hiện bằng hai phương pháp gồm: khoan dập và khoan cắt Khi khoan dập, lỗ khoan có đường kính bằng đường kính của tia laze nên tia laze không cần dịch chuyển mà chỉ đứng yên và thực hiện khoan Với khoan cắt, lỗ khoan có đường kính lớn hơn đường kính tia laze và lỗ khoan được tạo thành bằng chuyển động của tia laze quanh trục lỗ nhiều lần, lần sau có bán kính lớn hơn lần trước để đạt được đường kính lỗ yêu cầu

Phương pháp khoan dập đặc biệt biệu quả với các lỗ có đường kính đến 1,5mm Với các lỗ có đường kính lớn hơn 1,5 mm thường khoan bằng phương pháp khoan cắt Với các lỗ khoan đường kính từ 0,25 mm đến 1 mm, chiều sâu khoan thông thường đạt gấp 10 lần đường kính lỗ, đặc biệt có thể gấp 50 lần đường kính

Khoan dập thường thực hiện bằng laze Nd-YAG vì công suất xung của loại này cao Khi khoan ở chế độ xung, mỗi xung lấy đi một khối lượng kim loại nhất định Khi

độ dày của kim loại tăng lên, đường kính lỗ khoan cũng phải tăng lên Các thông số chủ yếu của quá trình khoan được trình bày dưới đây

Công suất khoan được xác định ở mức cần thiết để đạt hiệu suất cực đại mà vẫn đảm bảo dung sai đặt ra

Độ dài xung được lựa chọn qua yêu cầu chất lượng, thành phần vật liệu, độ dày vật liệu và loại laze Độ dài xung được tăng lên khi chiều sâu khoan tăng Độ dài xung với cả hai loại laze CO2 và laze Nd-YAG thường nhỏ hơn 2 mili giây

Tần số xung xác định tốc độ gia công ở đó vật liệu được gia công Tần số xung thấp hơn thường dùng khi chiều dày kim loại lớn

Tiêu cự được xác định bằng độ dày của vật liệu Thấu kính tiêu cự lớn được dùng với vật liệu dày hơn hay khi mật độ năng lượng rơi xuống dưới mức yêu cầu

để vượt qua độ phản xạ của bề mặt

Đường cấp khí đồng trục dùng để hỗ trợ khi khoan cắt Loại khí và áp suất phụ thuộc vào vật liệu Oxy được dùng để đẩy nhanh phản ứng cháy, phản ứng này nâng cao hiệu quả của phương pháp Khí trơ dùng khi cần lớp bề mặt sau gia công

không có oxit Một số trường hợp không yêu cầu lỗ chất lượng cao có thể dùng không khí Áp suất khí ảnh hưởng đến chất lượng lỗ khoan cắt Thông thường áp suất của oxy từ 100 đến 350 kPa Với khí trơ và không khí, áp suất thường từ 200 đến 620 kPa Các đầu phun được dùng để khống chế và định hướng cho dòng khí Các đầu phun thường có đường kính lỗ từ 0,75 đến 2,5 mm Khoảng cách đầu phun đến chi tiết gia công từ 0 đến 15 mm tùy theo loại laze, thiết kế của đầu phun và lưu lượng khí Khoảng cách này với laze Nd-YAG thường là 5 mm

* Cắt bằng laze

Cắt có thể thực hiện bằng laze CO2 có thể thực hiện ở chế độ liên tục hay chế

độ xung Với laze CO2, chế độ liên tục được dùng cho các kim loại dày, trong khi chế

độ xung dùng cho kim loại mỏng hơn Các laze Nd-YAG chế độ xung công suất cao được dùng để cắt các hợp kim đặc biệt có độ dày lớn

Cắt bằng laze cũng dùng để cắt các phôi cứng với độ dẫn điện thấp khi không thể cắt bằng xung điện như dùng để cắt nitrit bo lập phương

Như vậy, cắt bằng laze có thể thực hiện bằng laze CO2hoặc laze Nd-YAG, laze CO2thông dụng hơn và cho tốc độ cắt cao hơn

Công suất trung bình trong cắt bằng laze CO2liên tục thường từ 250W đến 5000W Trong chế độ xung, công suất trung bình cao hơn được dùng để cắt kim loại vì khi này yêu cầu công suất tức thời cao hơn Với laze CO2công suất khi cắt kim loại khoảng 100W đến 400W

Độ dài xung được lựa chọn để tối ưu hóa chất lượng bề mặt cắt Độ dài xung ngắn (< 0,75 mili giây) được dùng trong quá trình cắt phức tạp các kim loại mỏng

Độ dài xung ngắn có thể hạn chế mức năng lượng tối đa trong một xung Độ dài xung lớn hơn (tới 2 mili giây) cho năng lượng xung lớn hơn, cho phép cắt kim loại dày hơn

Tần số xung được điều chỉnh để cho tốc độ cắt lớn nhất với chất lượng yêu cầu Nói chung, tần số xung cao được dùng để cắt kim loại mỏng Với laze CO2tần

số cao từ 200 đến 500 Hz Với laze Nd-YAG tần số cao từ 30 Hz đến 100 Hz Tần

số thấp thường dùng để cắt kim loại có độ dày lớn hơn

Năng lượng xung cần thiết khi cắt liên quan đến độ dày kim loại Khi độ dày kim loại tăng, năng lượng xung cũng tăng theo Trong thực tế, laze CO2cho năng lượng xung tới 2 J ở chế độ xung lớn và tần số xung thấp Laze Nd-YAG có thể cho năng lượng xung tới 80 J

Việc lựa chọn thấu kính căn cứ trên độ dày kim loại, thành phần, yêu cầu chất lượng và đường kính yêu cầu của tia Chiều rộng rãnh gia công lớn có thể đạt được bằng cách dùng thấu kính tiêu cự lớn Với đường kính tia laze từ 13 đến 25mm có thể chọn thấu kính như sau:

- Với laze CO2dùng tiêu cự 65 mm để cắt kim loại dày tới 6mm Thấu kính tiêu cự 125 mm có thể dùng để cắt kim loại dày từ 5 đến 15,8 mm và tiêu cự 190 hay 250 mm hay dùng cho vật liệu có chiều dày lớn hơn 13 mm

- Với laze Nd-YAG hay dùng thấu kính có tiêu cự là 100 mm khi cắt kim loại mỏng hơn 3 mm Khi cắt kim loại dày tới 25 mm, tiêu cự thường từ 50 đến 250

mm Với cá kim loại dày hơn cần chọn tiêu cự lớn hơn

Việc cấp khí nhằm tạo một dòng khí thổi qua khe cắt để lấy kim loại nóng chảy đi Khí thổi có thể là oxy, khí trơ hay không khí tùy thuộc vào loại vật liệu và chất lượng gia công yêu cầu Oxy được dùng nhiều nhất trong cắt thép Khi cần cắt

bề mặt không bị oxy hóa người ta dùng khí trơ như khí heli Áp suất khí thường chọn như sau: với khí oxy áp suất từ 100 đến 350 kPa, còn với khí trơ từ 200 đến

620 kPa Lỗ phun thông thường từ 0,75 đến 2,5 mm Khoảng cách từ đầu phun khí tới phôi tùy theo loại laze từ 0 đến 1,5 mm với laze CO2và tới 5 mm với laze Nd-YAG Khoảng cách này và áp suất khí thổi ảnh hưởng lớn tới chất lượng cắt

* Khắc laze

Khắc bằng laze là quá trình tạo bề mặt khắc bằng cách quét hoặc chiếu tia laze lên vật liệu cần khắc Khắc bằng laze là ứng dụng phổ biến nhất của công nghệ laze và

nó chiếm 20% thị phần ứng dụng của tất cả các ứng dụng laze

Khắc bằng laze có thể thực hiện trên hầu hết các vật liệu Khắc laze dùng để khắc thông tin sản phẩm, tạo biểu tượng của hãng, khắc nghệ thuật

Các loại laze hay dùng để khắc gồm laze Nd-YAG, laze CO và laze excimer

* Sửa đá mài bằng laze

Các tia laze có thể dùng để sửa đá mài với chất lượng cao vì nó có thể làm bay hơi và lấy đi vật liệu đá mài composit Việc chọn tốc độ sửa đá hợp lý sẽ cho phép sửa toàn bộ bề mặt đá và thay đổi topography của đá Sửa đá bằng laze tạo ra các lưỡi cắt mới trên bề mặt đá đã bị mòn Phương pháp này cũng cho phép làm mới đá bằng cách chỉ làm bay hơi các phoi kim loại nhỏ bám trên bề mặt đá mài

g Một vài hình ảnh máy gia công bằng tia laze:

Theo Luận văn Trần Hưng Bình (2016), với chi phí thấp hơn, và điều khiển

đơn giản hơn robot các máy gia công bằng tia laze dưới Hình 1.13 có cấu trúc cồng kềnh hơn, các chuyển động đơn giản hơn robot, bên cạnh đó về khả năng linh hoạt của máy cũng bị hạn chế bởi không gian làm việc và máy chỉ thực hiện đưa đầu thao tác tới vị trí gia công với 3 bậc tự do di chuyển

Hình 1.13 Máy gia công bằng tia laze trên mặt phẳng

Hình 1.14 Công đoạn cắt hình bằng máy laze

Trên Hình 1.14 mô tả công đoạn cắt hình trên thép tấm các chi tiết là lỗ tròn

và hình dạng phức tạp theo yêu cầu bằng robot ứng dụng tia laze

Hình 1.15 Cấu trúc cơ bản 1 máy gia công bằng tia laze

Trên Hình 1.15 cấu trúc máy gia công bằng tia laze bao gồm: Gương cầu, Hệ thống giảm tốc theo trục y, Dây đai để cố định ống laze, ống laze, gối đỡ ống laze,

hệ thống giảm tốc, Cụm con trượt, đầu laze, Ray trượt theo trục y, bản cố định thay ray trượt, Ray trục X, Gương cầu, Trục liên kết

Trên Hình 1.17 là các robot có ứng dụng tia laze hiện đại với sáu bậc tự do có thể gia công linh hoạt tại các vị trí hình dạng phôi gia công phức tạp Hình (a) là hai tay máy robot phối hợp hoạt động với nhau cùng gia công một chi tiết bởi chương trình điều khiển; Hình (b) là công nghệ với bốn tay máy trong dây chuyền gia công chi tiết với những chương trình điều khiển rất phức tạp

Hình 1.17 Các tay máy ứng dụng gia công bằng tia laze

Từ định nghĩa về robot thì nhận thấy nhờ cấu trúc linh hoạt mà robot có thể tham gia vào các quá trình sản xuất chế tạo cũng như phục vụ con người

Như đã nêu ở trên, để cải tiến khả năng thao tác của máy laze người ta ứng dụng robot với vai trò là cơ cấu chấp hành để đưa đầu gia công đến vị trí và hướng phù hợp khi thực hiện gia công Trên Hình 1.18 là robot được gắn trên thanh ray cố định, từ đây tay máy robot có thể di chuyển dọc theo thanh ray; Bàn máy gá chi tiết có thể di chuyển vuông góc với thanh ray và có thể nâng, hạ chi tiết một khoảng xác định tạo không gian gia công chi tiết rộng hơn và với chi tiết lớn mà chỉ cần một lần gá đặt

Hình 1.18 Robot gia công bằng tia laze được gắn trên giá để tăng phạm vi gia công

- Thay vì sử dụng các máy truyền thống người ta đưa robot vào ứng dụng trong gia công bằng tia laze thì khắc phục được nhiều hạn chế:

+ Robot có cấu trúc linh hoạt có thể đạt được hướng và vị trí phù hợp với các yêu cầu gia công khác nhau

+ Khi thay đổi sản phẩm gia công thì có thể dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển để gia công được sản phẩm theo mong muốn

+ Đặc biệt ngày nay robot được thiết kế theo modun vì vậy có thể dễ dàng thay đổi các cấu trúc robot tùy theo yêu cầu của gia công, chế tạo các sản phẩm, chi tiết từ đơn giản đến phức tạp

1.2 Cấu trúc động học robot gia công bằng tia laze

1.2.1 Cấu trúc chung của robot công nghiệp

Trên Hình 1.19 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của robot công nghiệp loại thông thường

Tay máy gồm các bộ phận: đế đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động, thân, cánh tay trên, cánh tay dưới, bàn kẹp

Bên trong hoặc ở bên ngoài tay máy còn đặt nhiều bộ phận khác nữa:

Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động Trong các phần sau sẽ khảo sát các thiết bị truyền dẫn động này

Hình 1.19 Cấu trúc chung của robot công nghiệp

Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc Với phạm vi của Luận văn này

sẽ không đề cập, phân tích sâu vấn đề này

Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng

mà robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu)

Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển sau khi xử lý bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy

Trực tiếp liên hệ với bàn kẹp là các dụng cụ (tools) thao tác với môi trường

và đối tượng làm việc

Các bộ phận nói trên ngày nay thường được kết cấu theo nguyên tắc môdun hóa Hình 1.20 là một ví dụ về kết cấu của robot Đặt trên đế dịch chuyển được theo phương X là phần thân cột quay được với góc  Trượt theo phương Z dọc trục thân cột là thân giá, mang trên mình cánh tay ngang Trên cánh tay này, tầm với của tay có thể thay đổi trong khoảng r, đồng thời cổ tay có thể quay một góc 