Nghiên cứu tính toán thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang almega aii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 12 http://www.lrc-tnu.edu.vnEm rất vinh dự được học tập và nghiên cứu tại khoá đào tạo thạc sỹ K12 CTM của Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên, luậ

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 1 http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG CHO

ROBOT HÀN HỒ QUANG ALMEGA AII

THÁI NGUYÊN, 2011

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

NGUYỄN THỊ BÍCH NGẦN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG CHO

ROBOT HÀN HỒ QUANG ALMEGA AII

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi tự làm và nghiên cứu, dưới

sự hướng dẫn của PGS.TS Phan Bùi Khôi viện trưởng viện cơ khí ĐHBK

Hà Nội

Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan của mình

Người cam đoan

Tác giả

Nguyễn Thị Bích Ngần

Trang 4

2.1.3 Vị trí, hướng của vật rắn Error! Bookmark not defined

2.1.4 Phép biến đổi tọa độ thuần nhất Error! Bookmark not defined

2.1.5 Phương pháp Denavit- Hartenberg (D-H) Error! Bookmark not defined

2.2 Thiết lập phương trình động học robot Error! Bookmark not defined

2.2.1 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học

Error! Bookmark not defined

Trang 5

2.2.2 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác Error! Bookmark not defined

2.2.3 Phương trình động học robot Error! Bookmark not defined 2.2.4 Bài toán động học thuận về vị trí của robot Error! Bookmark not defined

2.2.5 Bài toán động học ngược về vị trí của robot Error! Bookmark not defined

2.3 Bài toán động học robot hàn Almega AII khi vật hàn cố định

Error! Bookmark not defined 2.4 Động học robot hàn Almega AII khi vật hàn gắn trên đồ gá di động Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3 48 THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT HÀN ALMEGA AII Error! Bookmark not defined 3.1 Thiết kế đồ gá di động Error! Bookmark not defined 3.1.1 Công dụng của đồ gá Error! Bookmark not defined 3.1.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc động học cho đồ gá Error! Bookmark not defined

3.1.3 Mẫu mô hình đồ gá Error! Bookmark not defined 3.2 Tính toán thiết kế các bộ truyền động Error! Bookmark not defined

3.2.1 Lựa chọn động cơ Error! Bookmark not defined 3.2.2 Tính toán bộ truyền cho đồ gá Error! Bookmark not defined 3.2.3 Tính chọn ổ Error! Bookmark not defined 3.2.4 Phân tích lựa chọn phôi Error! Bookmark not defined 3.2.5 Phân tích công nghệ trong kết cấu chi tiết Error! Bookmark not defined

Trang 6

3.2.6 Mô hình bản vẽ lắp 3D và bảng kê các chi tiết chính của đồ gá

Error! Bookmark not defined

3.2.7 Kiểm nghiệm độ bền của đồ gá bằng phần mềm COSMOSWorks

Error! Bookmark not defined 3.3 Mô phỏng hoạt động của robot hàn Almega AII Error! Bookmark not defined

3.3.1 Phần mềm ứng dụng Error! Bookmark not defined 3.3.2 Chương trình mô phỏng Error! Bookmark not defined 3.3.3 Giao diện chương trình và ứng dụng Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH

2 ai Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox

Trang 8

2 Hình 1.2 VD Robot hàn chi tiết có chiều dài lớn 9

3 Hình 1.3 VD Robot hàn chi tiết có biên dạng phức tạp 10

7 Hình 2.4 Hai hệ quy chiếu liên hệ với nhau một góc α 14

11 Hình 2.8 Vector định vị một điểm P thuộc vật rắn trong

15 Hình 2.12 VD1 Robot có giá cố định, đồ gá di chuyển tịnh tiến 39

16 Hình 2.13 VD2 Robot có giá cố định, đồ gá chuyển động quay 44

Trang 9

40 Hình 3.24 Mô hình đồ gá trong môi trường SolidWorks 67

41 Hình 3.25 Tùy chọn hiệu chỉnh file định dạng *.STL 68

42 Hình 3.26 Giao diện mô phỏng robot hàn 2 chi tiết với chiều

43 Hình 3.27 Giao diện mô phỏng robot 2 chi tiết với quỹ đạo

44 Hình 3.28 Giao diện chọn file “du lieu mo phong robot 72

45 Hình 3.29 Giao diện chọn file “du lieu cau truc robot” 72

Trang 10

1 Bảng 3.1 So sánh robot chuỗi và robot song song 49

Trang 11

LỜI NÓI ĐẦU

Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, Robot công nghiệp đã có một lịch

sử phát triển hấp dẫn Ngày nay, ngành công nghiệp phát triển robot công nghiệp đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất Ở Việt Nam các nhà máy chế tạo cơ khí, nhà máy Yamaha, nhà máy Honđa vv… Robot đã được ứng dụng nhiều trong chế tạo, lắp ráp và hàn nối các chi tiết lại với nhau

Hiện nay robot dùng trong công nghệ hàn thường được lắp cố định để hàn các chi tiết cố định Nhưng do trong thực tế có các mối nối (đường hàn) trong không gian phức tạp nên khi hàn phải thay đổi vị trí robot hoặc chi tiết hàn rất mất thời gian, hạn chế năng suất và hiệu quả kinh tế

Việc đưa Robot hàn vào thực hiện các đường hàn có dạng đường cong phức tạp đã được triển khai để hàn nối các chi tiết dạng ống, hàn khung xe máy, vỏ ôtô và các kết cấu phức tạp, có kích thước lớn

Khả năng làm việc của hầu hết các robot hàn có hạn chế về kích thước và vùng công tác mà robot có thể với tới, khả năng định vị và định hướng của phần công tác trong vùng làm việc

Để thuận tiện cho việc di chuyển robot hàn trong quá trình hàn, không mất thời gian, đảm bảo tính kinh tế và cho năng suất, hiệu suất cao việc thiết

kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII là rất cần thiết Do vậy

đề tài này có mục tiêu nghiên cứu là tính toán thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang ALMEGA AII

Xuất phát từ những lý do trên em đã chọn và thực hiện luận văn tốt

nghiệp cao học với đề tài “ Nghiên cứu tính toán thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII”

Trang 12

Em rất vinh dự được học tập và nghiên cứu tại khoá đào tạo thạc sỹ K12 CTM của Trường ĐHKT Công Nghiệp Thái Nguyên, luận văn đã hoàn thành đúng tiến độ và đạt được yêu cầu đặt ra là tính toán thiết kế đồ gá di

động cho robot hàn hồ quang Almega AII

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi viện trưởng Trường ĐHBK Hà Nội, người luôn chỉ bảo tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để bản luận văn của em sớm được hoàn thành đúng thời hạn và em hy vọng rằng

đề tài của em sẽ được ứng dụng vào thực tế, đóng góp phần nhỏ vào công nghệ robot hàn tự động và cũng để hiện đại hóa ngành hàn trong tương lai Mặc dù đã hết sức cố gắng, nhưng vì năng lực, kinh nghiệm và thời gian

có hạn nên luận văn của em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót

Em xin trân trọng cảm ơn những ý kiến đóng góp của các Thầy và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn của em được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn ! Thái Nguyên, Tháng 11 năm 2011

Trang 13

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu tổng quan về Robot

Từ rất lâu con người đã mong muốn tạo ra những vật giống như mình để bắt chúng phục vụ cho bản thân mình Đến năm 1921 thuật ngữ “Robot” ra đời xuất hiện trong vở kịnh “ Rossum’s Universal Robot” của nhà viễn tưởng người Sec, Kerel Capek

Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng người Nga, Issac Asimov mô tả Robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người được điều khiển của một hệ thần kinh khả trình, do chính con người lập trình Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về Robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản và là nền tảng cho việc thiết kế Robot :

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người

- Hoạt động của Robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quy tắc này không được vi phạm quy tắc thứ nhất

- Một Robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Kerel Capek đã bắt đầu thực hiện Ngay sau chiến chanh thế giới làn 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những cánh

tay máy bất kỳ điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng

xạ

Vào những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur hoặc tay máy Handyman của General Electric Năm 1954 George C Devol đã

thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên

Trang 14

năm 1959 công ty Unimation Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này

Chiếc Robot công nghiệp được đưa và ứng dụng đầu tiên năm 1961, ở một nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công

ty AMF của Hoa Kì (American Machine and Foundry Company) Đến năm

1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo loại robot lắp giáp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot

có cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy vi tính để lắp giáp các máy in gồm 20 cụm chi tiết

Vào thời điểm này ở nhiều nước khác cũng tiến hành công trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết

bị cảm biến và các thiết diện giao tiếp người với máy

Một lĩnh vực được nhiều người quan tâm là robot tự hành Các công trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người hoặc súc vật Các robot này còn chưa ứng dụng nhiều trong công nghiệp Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng đưa vào hoạt động trong các

hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến

bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã

ra tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ

Trang 15

vậy robot công nghiệp có vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

1.2 Robot công nghiệp và ứng dụng

Ngày nay, 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, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…

Sự ra đời của robot công nghiệp là bước ngoặt lịch sử trong sự phát triển Robotics nói chung Bởi vì từ đó robot đã khẳng định được hiệu quả kinh tế to lớn mà nó đem lại cho chúng ta bước vào dây chuyền sản xuất như một phương thức tiêu biểu cho nền công nghiệp hiện đại Từ đây Robotics được đầu tư nghiên cứu, vận dụng nhiều thành tựu khoa học để phát triển vượt bậc Hầu hết các robot hiện đang có đều được dùng trong công nghiệp, chúng có đặc điểm riêng về cấu chúc chức năng, đã được thống nhất, thương mại hóa rộng rãi Lớp robot này được gọi là robot công nghiệp (Industrial Robot- IR) Robot công nghiệp (RBCN) có 2 đặc trưng cơ bản:

- Là thiết bị vạn năng được TĐH theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau

- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng như vận chuyển xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường

Từ 2 đặc trưng cơ bản trên của RBCN, hiện nay RBCN được định nghĩa như sau:

- Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ (Robot institute of America - RIA) : RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu chi tiết dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác

Trang 16

- Định nghĩa theo GOCT 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

- 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 trục toạ độ; có khả năng định vị, định hướng,

di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Với đặc điểm có thể lập trình lại, RBCN là thiết bị TĐH ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu trong hệ thống sản xuất

Từ khi mới ra đời Robot công nghiệp được ứng dụng nhiều trong mọi lĩnh vực dưới góc độ thay thế con người Nhờ vậy dây chuyền sản xuất được tổ chức lại , năng suất và hiệu quả tăng lên rõ rệt

Robot công nghiệp có khả năng chương trình hóa linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị số bặc tự do của chúng Được ứng dụng nhiều trong các ngành: hàn, lắp ráp, gia công cắt gọt, phun phủ, rót kim loại

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp 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 Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào các khả năng to lớn của robot như:

+ Làm việc không biết mệt mỏi

+ Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo

+ Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao

Trang 17

+ Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp giáp sản phẩm,

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với các robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức độ tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao,…ở đây các máy và robot cùng được điều khiển một hệ thống chương trình

Rõ ràng khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt trội hơn khả năng của con người, do đó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc

và độc hại Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người

1.3 Robot hàn hồ quang

Hiện nay trên thế giới có 120 phương pháp hàn khác nhau Nói chung các phương pháp hàn ngày càng hoàn thiện và phát triển hơn Nó được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng, ngành công nghiệp ô tô, xe máy, đóng tàu và đặc biệt là ngành hàng không – vũ trụ

Có thể nói: Hàn là phương pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại

Ngày nay với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề ngày càng đông đảo với sự hợp tác khoa học với các nước trên thế giới ngành hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển và được ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất

Trang 18

Bản chất của hàn kim loại là quá trình công nghệ nối 2 hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận) lại với nhau thành một khối bền vững không tháo rời bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng vị trí cần nối đến trạng thái hàn (trạng thái lỏng hoặc dẻo) sau đó kim loại lỏng tự kết tinh (trạng thái lỏng) hoặc dùng thêm ngoại lực ép chúng dính lại với nhau (trạng thái dẻo) để tạo thành mối hàn

Đặc điểm của hàn là liên kết cứng không tháo rời ra được, tiết kiệm kim loại, hàn tạo ra các liên kết có độ bền, độ kín cao đáp ứng nhu cầu làm việc của các kết cấu quan trọng như: Vỏ tàu, nồi hơi, thiết bị chịu áp lực,…Hàn có tính năng động và năng suất cao so với các công nghệ gia công khác, do vậy

dễ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất Mức độ đầu tư cho quá trình sản xuất thấp Do trong quá trình hàn, vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt tập chung, thời gian hàn ngắn vì vậy liên kết hàn thường có nhược điểm như:

Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể

bị thay đổi (đặc biệt là những vật liệu khó hàn) do vậy làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu

Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng với tính kinh tế kỹ thuật cao công nghệ hàn ngày càng được quan tâm phát triển hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân Song công nghệ hàn không chỉ là những đường hàn đơn giản mà nó còn phụ thuộc vào sự phức tạp của các liên kết hàn và vị trí của các mối hàn trong không gian chính vì điều này robot hàn đã được sử dụng nhiều trong công nghệ hàn Gần 25% robot trong công nghiệp là robot hàn, có mặt nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử

Một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại trên những chi tiết giống nhau sẽ thích hợp để tự động hóa Số lượng chi tiết cần hàn trong quá trình chế tạo quyết định xem có nên tự động hóa quá trình hàn hay không

Trang 19

Nếu bình thường phải điều chỉnh để các chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các mối hàn quá rộng hoặc có vị trí khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự động hóa được

Tại vì những lợi ích lớn nhất của hàn tự động là có độ chính xác và năng

suất cao, hàn bằng robot sẽ nâng cao độ tin cậy của mối hàn Một khi được lập trình hợp lý, các robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách

Chuyển động của mỏ hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp, chất lượng mối hàn tốt và tính thẩm mỹ cao, hiệu quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay Qúa trình hàn được tự động hóa giải phóng người công nhân khỏi những tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc Chính vì lý do vậy mà hiện nay rất nhiều công ty, nhà máy sử dụng robot hàn, hiện nay trên thị trường trong nước có rất nhiều chủng loại robot hàn của nhiều hãng khác nhau

Ngoài khả năng như trên của robot hàn thì robot hàn hồ quang Almega AII hình1.1 là robot hàn mới, lập trình linh hoạt và tiện lợi đặc biệt có khả năng kết nối với máy tính đảm bảo tính chính xác cho quá trình hàn Khả năng kết nối máy tính cho phép điều khiển phối hợp chuyển động của robot

và đồ gá di động theo chương trình một cách thuận lợi, nâng cao khả năng công nghệ của robot

Trang 20

Hình 1.1 Robot hàn hồ quang Almega AII là một thiết bị vạn năng được tự động hóa theo chương trình có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác Robot có kết cấu dạng tay máy có thể thực hiện trực tiếp các thao tác trên đối tượng

Trong không gian tĩnh robot hàn và vật hàn thường được gắn cố định nên chỉ hàn được các đường hàn có sẵn trong lập trình và các mối hàn nằm trong khả năng với tới của robot hàn, mà robot hàn hồ quang Almega AII thường được gắn cố định nên khi hàn các chi tiết có chiều dài quá lớn, đặc biệt trường hợp gia công các sản phẩm có biên dạng phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao robot không thể với tới và thực hiện được, để thực hiện được quá trình hàn thì phải phát triển robot có số bậc tự do lớn hơn 6 hay robot có số bậc tự do lớn hơn số tọa độ khâu thao tác hoặc cải tiến các robot hiện có Nếu phải sử dụng robot có số bậc tự do lớn hơn 6 hay cải tiến robot thì giá thành cao, chế tạo và điều khiển phức tạp dẫn đến giải các bài toán động học

Trang 21

ngược mất nhiều thời gian vì có nhiều thông số tính toán và độ chính xác tính toán không cao mà trong thực tế gia công yêu cầu các thông số đưa vào

để điều khiển robot phải nhanh, chính xác Vậy để khắc phục điều này ta có thể sử dụng robot ít bậc tự do cho độ cứng vững động học cao, các thông số

để giải bài toán động học ít, giải nhanh độ chính xác cao và bộ thông số đưa vào điều khiển robot nhanh đảm bảo thời gian gia công Song chỉ mỗi robot thì chưa đáp ứng được khi mà hàn các đường hàn dài và phức tạp vì vậy ta

có thể di chuyển đối tượng hàn

Giải pháp đưa ra là thiết kế đồ gá mang chi tiết gia công kết hợp với robot hàn tạo thành một hệ robot, hệ này có sự chuyển động tương đối giữa chi tiết gia công và robot Ưu điểm của việc thiết kế đồ gá cho chi tiết gia công là chế tạo đơn giản, chế tạo trong nước không phải nhập ngoại

Vậy bài toán đặt ra là tính toán khảo sát động học để hàn được các mối hàn phức tạp trên cơ sở tạo nên đồ gá cho

chi tiết hàn kết hợp với robot hàn

Xét trường hợp vật hàn có chiều dài

lớn hình 1.2 vượt quá tầm với của robot

để giảm thời gian gia công, tăng năng suất

ta có thể thiết kế đồ gá cho vật hàn Trong

quá trình hàn robot không phải thay đổi vị

Hình 1.2

yo

X

Trang 22

Ngày nay công nghiệp phát triển các chi tiết hàn yêu cầu độ chính xác cao và độ thẩm mỹ cao nên robot hàn được sử dụng nhiều Để nâng cao khả năng công nghệ, nâng cao năng suất lao động, giảm thời gian gia công việc thiết kế đồ gá kết hợp với robot là rất cần thiết Vì vậy việc tính toán thiết kế cấu trúc động học đồ gá và tính toán động học cho hệ robot hàn là rất quan trọng phần này được trình bày ở chương 2

Trang 23

Hình 2.1

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN MÔ HÌNH 2.1 Cơ sở tính toán khảo sát Robot

2.1.1 Biểu diễn điểm trong không gian

Robot nói chung có cấu trúc động học là một hệ nhiều vật, gọi là khâu (link), kết nối với nhau bởi các khớp (joint) Thông thường các khâu của robot có thể được xem là vật rắn (tuyệt đối) khi khảo sát và tính toán

Về cấu trúc động học, robot hàn có dạng chuỗi

hở, có từ 3 đến 6 khâu với số bậc tự do tương ứng

Hình 2.1 loại robot hàn có 6 bậc tự do như Almega

AII được dẫn động bởi các động cơ đặt tại các

khớp quay hoặc tịnh tiến Các robot hàn 6 bậc tự

do làm việc khá linh hoạt, thực hiện được các thao

tác hàn có độ chính xác cao và chất lượng ổn định

Cơ sở để khảo sát robot hàn trước hết cần

nghiên cứu định vị các điểm và vật thể trong

không gian Để xác định vị trí của điểm hoặc vật

thể trong không gian, người ta thiết lập một hệ qui chiếu (hệ tọa độ) cố định Trong trường hợp chung có thể không nhất thiết là hệ qui chiếu cố định Vị trí của bất kỳ điểm nào trong hệ qui chiếu cố định hình 2.2 đều có thể xác định bởi vector hình học sau:

k z j y i

Trang 24

p z

y k

i

x

j 0

Cho 2 hệ quy chiếu chung gốc 0 như hình 2.3

- Hệ 0xyz cố định (fixed frame A),

- Hệ 0uvw động (moving frame B),

P là một điểm trong không gian

i,j và k vector đơn vị hệ qui chiếu cố định A

u,v và w vector đơn vị hệ qui chiếu động B

Biểu diễn u,v và w trong A:

k u j u

Trang 25

Biểu diễn vị trí P trong A,B:

k p j p

z

w y v y u

y

w x v x u

x

p w p v p

u

p

p w p v p

u

p

p w p v p

z z z

y y y

x x x

z

y

x

p p p

w v u

y y y

x x x

B A

w v u

u B

p p

z

y y

y

x x

x

B

A

w v

u

w v

u

w v

23 22 21

13 12 11

a a a

(2.1.9)

Ta gọi ma trận B

A

R là ma trận cosin chỉ hướng (sau đây còn gọi là ma trận

quay) của hệ qui chiếu động B với hệ qui chiếu cố định A

Tính chất của ma trận cosin chỉ hướng:

- Ma trận cosin chỉ hướng có tính chất trực giao

u2 = 1 uTv = 0 u × v = w

v2 = 1 , vTw = 0 → v × w = u (2.1.10)

w2 = 1 wTu = 0 w × u = v

T B A

Trang 26

Xét hai hệ quy chiếu chung gốc liên hệ với nhau bởi phép quay một góc α quanh trục z hình 2.4 Gọi p, p’ là vector tọa độ điểm P trong hệ 0xyz và

z

y

x

p p p

p

'''

10

0

0cos

sin

0sincos

p p

0 cos sin

0 sin cos

p p

''

Hình 2.4

Trang 27

→pR z()p' (2.1.13)

Với R z()chính là ma trận cosin chỉ hướng và thường gọi là ma trận quay

Ma trận quay nhận được ứng với phép quay cơ bản gọi là ma trận quay cơ bản Phép quay hệ tọa độ quanh các trục của nó gọi là phép quay cơ bản Khi quay hệ tọa độ 1 góc α quanh trục x0thì ma trận quay cơ bản là :

0

sin cos

0

0 0

1 )

0 1 0

sin 0 cos )

0 cos sin

0 sin cos

Vị trí vật trong không gian 3

chiều được xác định bởi 3 điểm

được mô tả bởi 3 vector (3x1) với

9 thông số hình 2.5 Nếu sử dụng

các tọa độ suy rộng, một vật trong

không gian 3 chiều được mô tả đầy

Trang 28

- 3 thông số xác định vị trí điểm cực Q trong hệ tọa độ cố định

- 3 thông số xác định hướng hệ tọa độ động đối với hệ tọa độ cố định Hướng của vật trong hệ qui chiếu cố định có thể xác định bởi nhiều cách khác nhau Xem hệ qui chiếu động B di chuyển trong hệ qui chiếu cố định A với một điểm cố định, khi đó hướng của vật rắn đối với hệ qui chiếu cố định

A chính là hướng của hệ qui chiếu động B đối với A Hướng của B đối với A

có thể được xác định bởi ma trận quay (ma trận cosin chỉ hướng) như đã chỉ

đó hướng của vật rắn trong hệ qui

chiếu cố định có thể được mô tả

bởi các góc ψ,θ,φ như hình 2.6

Phương pháp này chỉ ra các phép

quay hệ tọa độ liên tiếp theo 3 góc

Euler quanh 3 trục tọa độ của hệ

0 cos sin

0 sin cos

Trang 29

0

sin cos

0

0 0

0 cos sin

0 sin cos

) cos(

) sin(

) sin( ) cos(

) cos(

) sin(

) cos(

) sin(

) cos(

) sin(

) cos(

) sin(

) cos(

) sin(

Ngoài ra có thể xác định bằng phương pháp các góc Cardan như sau:

Đó là 3 phép quay lên tiếp quanh các trục của hệ tọa độ động :

Quay 0x0y0z0góc α quanh trục x0ta được:

0

sin cos

0

0 0

0 1 0

sin 0 cos

Trang 30

0 cos sin

0 sin cos

2 1

) cos(

) sin(

) cos(

) sin(

) cos(

) sin(

)

cos(

) cos( ) sin(

) cos(

) sin(

) cos(

) sin(

)

sin(

) sin(

) cos(

2.1.4 Phép biến đổi tọa độ thuần nhất

Hình 2.8 với vector định vị một điểm P thuộc vật rắn trong không gian 3 chiều:

A

A   (2.1.16)

Q z

P

q

B p Moving frame B

Trang 31

Để (2.1.16) biểu diễn tốt hơn, các tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất được sử dụng

Cho P trong không gian 3 chiều, thường vị trí P được biểu diễn :

z y

p

p*   ,  ,  ,  (2.1.17)

Vector p*thuộc không gian 4 chiều, σ là đại lượng vô hướng khác không Khi

sử dụng tọa độ thuần nhất để biểu diễn vị trí của P bởi vector:

z y

p

p* * , * , * ,  (2.1.18)

Vector không gian 3 chiều của P có thể nhận được từ vector tọa độ thuần nhất

4 chiều bằng cách chia 3 thông số tọa độ thuần nhất đầu tiên cho thông số tọa

x

p p

z y

p

p*  , , , 1

Để đơn giản, sau đây ta bỏ qua ký hiệu (*), vector tọa độ thuần nhất của điểm

P được biểu diễn :

z y

p

p , , , 1 (2.1.20)

Trang 32

z z z

y y y

x x x

z A

y A

x A

w v u

w v u q q q p

1

w B v B u B

z A z z x

y A y y x

x A x x x

q w v u

z A z z x

y A y y x

x A x x x

q w v u

q R

(2.1.23)

gọi là ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Việc sử dụng ma trận này thuận lợi cho phép biến đổi tọa độ của một điểm từ một hệ tọa độ sang một hệ tọa độ khác

Phương trình (2.1.16) có thể viết lại gọn hơn : A pA T B B p (2.1.23)

Ý nghĩa : Nếu sử dụng các tọa độ thuần nhất ta có :

3

2

1

b b b

Trang 33

1 0 0

0 1 0

0 0 1

3 2 1

b b b a a a b

B

A

q R R

(2.1.25)

Dưới đây dẫn ra một số phép biến đổi tọa độ và chỉ ra việc tích hợp các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất bằng việc thực hiện 3 phép quay liên tiếp hệ động với 3 góc cardan tương ứng

Phép quay góc α quanh trục x0nhận được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất:

0

0 cos sin

0

0 sin cos

0

0 0 0

0 cos 0 sin

0 0 1 0

0 sin 0 cos

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

Trang 34

Chỉ số E góc dưới bên phải chỉ hệ tọa độ nhận được sau phép quay cuối

Giả sử P là một điểm thuộc vật rắn ký hiệu P thuộc các hệ tọa độ như sau:

2 2 2

T

, )

T

, )

2.1.5 Phương pháp Denavit- Hartenberg (D-H)

Denavit and hartenberg (1955) qui ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu của tay máy robot như hình 2.9

- Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1) Hướng của phép quay và phép tịnh tiến được chọn tùy ý

- Trục xi được xác định theo đường vuông góc chung giữa trục khớp động thứ i và (i+1), hướng từ khớp động thứ i tới khớp (i+1) (trục zi-1 sang zi)

- Trục yi xác định theo qui tắc bàn tay phải (hệ tọa độ thuận)

Trang 35

Vị trí tương đối giữa 2 hệ tọa độ liên tiếp i và (i-1) được mô tả bởi 4 tham

số động học gọi là tham số động học Denavit- Hartenberg di, θi, ai, αi

Với di: dịch chuyển tịnh tiến giữa 2 đường vuông góc chung của 2 trục

di= O i 1H i 1 là dương nếu như vector O i 1H i 1theo chiều dương của trục zi-1,

âm trong trường hợp ngược lại

θi : góc giữa 2 đường vuông góc chung Là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục xitheo quy tắc bàn tay phải

ai: khoảng dịch chuyển giữa 2 trục khớp động kề nhau ai = H i1O i

αi: góc lệch trục của 2 khớp động liền kề , là góc quay quanh trục xi sao

Trang 36

cho trục zi-1 chuyển đến trục zitheo qui tắc bàn tay phải

Qui tắc thiết lập hệ tọa độ Denavit- Hartenberg có thể được tóm lược như sau:

- Từ khâu đế (gốc), khâu và khớp được đánh số liên tiếp, gốc được xem là khâu 0, khâu cuối là khâu tác động cuối Ngoại trừ gốc và khâu cuối, các khâu còn lại đều bao gồm 2 khớp Khớp thứ i liên kết khâu thứ i với khâu i-1

- Dựng đường vuông góc chung giữa 2 trục của 2 khớp kề nhau Ngoại trừ gốc và khâu cuối, trục mỗi khớp (i) đều gắn với 2 đường vuông góc chung, với trục khớp động thứ (i-1) và trục khớp động thứ (i+1)

- Thiết lập hệ tạo độ gốc

- Thiết lập hệ tọa độ bàn kẹp khâu thứ n thỏa mãn xn vuông góc với trục khớp liền trước Trục zn được chọn là hướng tiếp cận của khâu cuối

- Gắn các hệ tọa độ đề các tại khớp cuối của tất cả các khâu như sau:

+ Trục ziđược chọn dọc theo hướng trục khớp động thứ (i+1),

+ Trục xi được chọn dọc theo đường vuông góc chung giữa 2 trục zi-1 và zi

hướng từ zi-1 sang zi Nếu các trục này song song, xi có thể chọn là bất kỳ đường vuông góc chung của 2 trục Trong trường hợp 2 trục cắt nhau, gốc được chọn tại giao điểm và hướng trục xi được xác định qua tích hữu hướng

zi-1 x zi,

+Trục yiđược xác định theo qui tắc bàn tay phải

- Xác định các thông số của khâu và các biến khớp di, θi, ai, αi.

Với cách thiết lập hệ tọa độ ở mỗi khâu của tay máy, có thể thành lập được ma trận liên hệ giữa hại hệ tọa độ liên tiếp, hệ tọa độ thứ i có thể nhận được bằng cách biến đổi hệ tọa độ thứ i-1 theo một số phép quay và tịnh tiến

Trang 37

1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1 )

,

( 1

i i

i

d d

z

T

-Tiếp theo quay hệ trục tọa độ i-1 mới quanh trục zi-1 một góc θi để trục

xi-1 chuyển đến trục xi Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất tương ứng là:

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

)

,

i i

- Tiếp tục thực hiện phép tịnh tiến hệ trục thu được ở bước 2 dọc theo trục

xi để gốc tọa độ 0i-1 chuyển đến 0i Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất tương ứng là :

0 1 0 0

0 0 1 0

0 0 1 )

x

- Quay hệ tọa độ thu được ở bước 3 quanh trục xi một góc αi để đưa hệ trục tọa độ i-1 trùng với hệ trục tọa độ i Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất tương ứng là :

Trang 38

0

0 cos sin

0

0 sin cos

0

0 0 0

1 )

,

(

i i

Bốn ma trận trên được gọi là 4 ma trận biến đổi cơ bản của phép biến đổi

từ hệ trục tọa độ thứ i-1 thành hệ trục tọa độ thứ i Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất tích hợp của các ma trận từ các phép biến đổi, ký hiệu là i

i

A

1

 được xác định như sau:

) , ( ) , ( ) , ( ) ,

1

i i i i i i i i i

i

x T a x T z

T d z T

0 0

0

1

i i

i

i i i i i

i i

i i i i i i i

i

d c

s

s a s s c

c s

c a s s s c c

2.2 Thiết lập phương trình động học robot

2.2.1 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất 0A nbiểu diễn trạng thái khâu thao tác có thể xác định được từ cấu trúc động học của robot 0A n có thể nhận được bằng cách nhân liên tiếp các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất ứng với các phép dịch chuyển hệ tọa độ từ hệ trục cố định tới hệ trục tọa độ gắn với EF (từ viết tắt của khâu thao tác End-effector):

n n

Trang 39

Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học robot

) ( )

( ) ( ) (

)

( 0 1 1 1 2 2 2 3 3 1

0

n n n

) ( ) ( )

(

0 0

0

T

E n

n

q r q R

0 0

) ( ) ( ) ( ) (

)

(

33 32

31

23 22

21

13 12

11

0

q z q c q c q c

q y q c q c q c

q x q c q c q c

q

2.2.2 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác

Vị trí và hướng của khâu thao tác được xác định bởi các tọa độ thao tác gồm các tọa độ định vị điểm tác động cuối và hưởng khâu thao tác

Vector tọa độ định vị khâu thao tác (End-effector)

E E

E

p  , , ,,, (2.2.5)

Trong đó 3 thành phần đầu mô tả vị trí của điểm tác động cuối E (gốc hệ tọa

độ gắn vào End-effector) và 3 thành phần cuối mô tả hướng của EF đối với

0 0

0

T E n E

n

r R A

Trong đó các ma trận con là:

E E

) , , ( ) , , ( ) , , (

) , , ( ) , , ( ) , , ( )

,

(

33 23

31

23 22

21

13 12

11 0

c

c c

c

c c

c

Các tọa độ thao tác đều là hàm của thời gian:

), ( ),

Trang 40

E E E

) ( ) ( ) (

)

(

33 23

31

23 22

21

13 12

11

0

t c t c t

c

t c t c t

c

t c t c t

) , , ( ) , , ( )

, , , , ,

(

0 0

0

T

E E E E n

E E E n

z y x r R

z y x

0 0

) , , ( ) , , ( ) , , (

33 32

31

23 22

21

13 12

11

E E E

z c

c c

y c

c c

x c

c c

) ( ) (

)

(

0 0

0

T

E n

n

t r t R

0 0

) ( ) ( ) ( ) (

)

(

33 32

31

23 22

21

13 12

11

0

t z t c t c t

c

t y t c t c t

c

t x t c t c t

0 0

) , , ( ) , , ( ) , , (

1 0

0

) ( ) ( ) (

)

(

) ( ) ( ) (

)

(

) ( ) ( ) (

)

(

33 32

31

23 22

21

13 12

11

33 32

31

23 22

21

13 12

11

E E E

z c

c c

y c

c c

x c

c c

q z q c q

c

q

c

q y q c q

c

q

c

q x q c q

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	1,88 MB