Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do phục vụ cho đào tạo

Lý do chọn đề tài Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng, mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp là nhằm nâ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN NGỌC TÂN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ,

CHẾ TẠO ROBOT HÀN 3 BẬC TỰ DO

PHỤC VỤ CHO ĐÀO TẠO

Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

Mã số : 60.52.04

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2013

DaihocDaNang

Công trình được hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS TRẦN XUÂN TÙY

Phản biện 1: PGS.TS LÊ CUNG

Phản biện 2: PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC

Luận văn được bảo về trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng 12 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại Học Đà Nẵng

DaihocDaNang

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng, mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động

Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu trong số đó như Hoa Kỳ, Nhật Bản, CHLB Ðức, Pháp, Ý, Hàn Quốc, Trung Quốc,… và gần đây là các nước trong khu vực Ðông Nam

Á Sau đó, công nghệ hàn tự động với robot được áp dụng trong các ngành đóng tàu biển, chế tạo máy

Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp Gần 25% robot công nghiệp là robot hàn Các robot lắp ráp chiếm 33% dân

số robot trên thế giới, có mặt nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: Mỗi khung xe được cố định vào một palette và được điều khiển di chuyển khắp nhà máy Khi khung xe đến trạm hàn,

bộ phận kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần thiết, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước

Ở các trường đại học, cao đẳng và cao đẳng nghề nói chung và tại trường Cao đẳng Nghề Đà Nẵng nói riêng đã bắt đầu giảng dạy về Robot, như trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, trường cao đẳng Công nghệ Đà Nẵng Đặc biệt trong những năm gần đây xu thế nhập Robot công nghiệp phục vụ trong dây chuyền sản xuất cũng ngày càng tăng như công ty Sông Thu, Công ty Ôtô Trường Hải cũng có chương trình

DaihocDaNang

ứng dụng robot hàn Tuy nhiên sự chuyển giao công nghệ của nhà sản xuất, cũng như việc sửa chữa bảo trì chưa được như mong muốn chưa khai thác triệt để tính năng của thiết bị

Vì vậy đề tài „„ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do phục vụ cho đào tạo” là thiết thực cho đào tạo và ứng dụng trong sản xuất

“Luận án này nằm trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước “ Nghiên cứu ứng dụng robot cho các dây chuyền hàn sàn thùng xe ben trong các nhà máy sản xuất ôtô ” mã số KC.03.09/11-15”

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu động học, động lực của cánh tay máy công nghiệp

- Nghiên cứu điều khiển tự động robot và ứng dụng công nghệ hàn

- Phục vụ cho công tác đào tạo dạy nghề tại đơn vị công tác

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Tay máy công nghiệp 3 bậc tự do

- Thiết bị hàn tự động

- Vi điều khiển

- Cách thức giao tiếp giữa cánh tay máy và máy tính

- Các loại tài liệu về Robot, điều khiển tự động và lập trình điều khiển

Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết kê robot hàn ứng dụng trong công tác dạy nghề tại Trường cao đẳng Nghề Đà Nẵng và khả năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp

4 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết

1 Nghiên cứu lý thuyết về Robot công nghiệp, công nghệ hàn MIG

DaihocDaNang

- Giải bài toán động học – động lực học robot

- Tính toán và lựa chọn các loại truyền động

- Tính toán, thiết kế, cánh tay máy

- Lý thuyết, thiết bị về hàn MIG

2 Nghiên cứu thuật toán điều khiển

- Xây dựng mô hình điều khiển , phương thức điều khiển

- Nghiên cứu ứng dụng của vi điều khiển họ 89* trong điều khiển robot

Thực nghiệm

1 Thiết kế chế tạo, lắp đặt và chạy thử tại cơ quan công tác

- Nghiên cứu điều khiển vị trí

2 Xây dựng phần mềm điều khiển giao tiếp với phần cứng bằng ngôn ngữ Visual Basic

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ứng dụng làm mô hình dạy học tại đơn vị công tác như các modun Robot công nghiệp, lắp đặt vận hành hệ thống cơ điện tử

- Chế tạo mô hình robot 3 bậc tự do có thể hàn được các đường thẳng, cong theo biên dạng cho trước

- Nghiên cứu ứng dụng điều khiển vị trí bằng động cơ bước

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 4 chương:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT

1.1.1 Sự ra đời của robot công nghiệp (Inductrial robot)

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi các ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền về thiết bị có tính linh hoạt cao đang

DaihocDaNang

dần hình thành Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động

“cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường luôn đòi hỏi mặt hàng thay đổi về chủng loại, tính năng, mỹ thuật, vv,… Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng về robot để tạo ra các hệ thống sản suất linh hoạt

1.1.2 Định nghĩa về robot công nghiệp

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

- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) : Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các 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

- Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) : Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

- Định nghĩa theo 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

1.1.3 Phân loại Robot

- Có hai phương pháp phân loại robot Một là theo tính chất vật lý hay hình học của chúng Hai là theo cách chúng được điều khiển

a Phân loại theo hình học

DaihocDaNang

Ngành công nghiệp dùng các thiết kế các robot khác nhau với các ưu nhược điểm riêng Về cơ bản, một robot phải có 3 bậc tự do để tiếp cận tới tất cả các điểm trong không gian Tuy nhiên nó phải có 3 bậc tự do

5 SCARA:(hình 1-5)

b Phân loại theo điều khiển

- Có 2 phương pháp điều khiển Robot Đó là kỹ thuật điều khiển không servo và kỹ thuật điều khiển servo Điều khiển không servo dùng phương pháp hãm cơ khí để cung cấp các phạm vi biên của chuyển động

và khi lệnh dịch chuyển được sử dụng, khớp được dẫn động cho đến khi hãm cơ khí được chạm tới Kỹ thuật này hiện nay đã lỗi thời Kỹ thuật servo dùng cấu trúc phản hồi để đáp ứng với các thay đổi cục bộ của các khớp động của robot

- So 2 loại kỹ thuật điều khiển servo: kiểu đường đi điểm-tới-điểm (point-to-point) và liên tục Kỹ thuật điểm-tới-điểm dùng chuẩn của điểm đầu và điểm cuối (và các điểm trung gian) của chuyển động robot đòi hỏi một hệ thống điều khiển đáp lại phản hồi ở những điểm này Kỹ thuật này được dùng trong hàn điểm, công việc nhặt-và-đặt vật thể và các công việc tương tự Phương pháp điều khiển liên tục đòi hỏi đầu chấp hành của robot theo một đường nhất định từ điểm đầu tới điểm

DaihocDaNang

cuối Kỹ thuật này dùng nhiều trong ứng dụng cần chuyển động theo đường biên như hàn hay phun sơn

- Các robot kiểu chuyển động liên tục thường theo chuỗi các điểm gần nhau trong không gian trên một đường và các điểm này được xác định bằng bộ điều khiển hơn là một chương trình Trong nhiều trường hợp, các đường giữa các điểm là các đường thẳng

1.1.4 Ứng dụng nghiệp trong sản của robot công xuất

- Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng nhiều trong 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

- 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

- 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

DaihocDaNang

- Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, quốc phòng, chinh phục vũ trụ, công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội,…

- 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

1.1.5 Ứng dụng của Robot trong ngành hàn

- Như ta đã biết Robot công nghiệp được sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau, trong đó có ngành hàn, hiện nay số lượng Robot hàn chiếm đến 25% tổng số Robot các loại Trong ngành công nghiệp sản xuất thì hàn đóng vai trò quan trọng, ví dụ như ngành công

nghiệp ôtô, đóng tàu, Vì vậy số lượng Robot hàn được thay thế các phương pháp hàn khác rất nhiều, sở dĩ có được điều này là do tính năng vượt trội khi hàn bằng Robot như sau:

+ Có tính tự động cao và năng suất cao

+ Có thể thực hiện được các đường hàn phức tạp

+ Chất lượng mối hàn tốt và tính thẩm mỹ cao

+ Có thể thực hiện các thao tác lặp đi, lặp lại liên tục

+ Giải phóng người lao động khỏi tác động có hại khi hàn

a Khi nào dùng robot hàn ?

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 Nếu bình thường phải điều chỉnh để các chi tiết ăn khớp với

DaihocDaNang

nhau hoặc các mối hàn quá rộng hoặc có vị trí khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự động hóa được

b Tại sao hàn bằng robot

Những lợi ích lớn nhất của hàn tự động là có độ chính xác và năng suất cao Hàn bằng robot 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 que 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, hiệu quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay Quá 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 để sử dụng tronn công ty nhằm tăng năng suất, chất lượng sản phẩm, tính an toàn và hiệu quả kinh tế đem lại Hiện nay có rất nhiều đơn vị trong và ngoài nước cung cấp robot hàn, việc nghiên cứu và chế tạo robot hàn cũng được nhiều trường kỹ thuật công nghệ quan tâm, do vậy đề tài nghiên cứu chế tạo

robot hàn mà tôi thực hiện cũng là đề tài mới và có tính ứng dụng cao có thể phục vụ dạy học tại đơn vị công tác hoặc ứng dụng sản xuất thực tế

c Các hình ảnh giới thiệu robot hàn của một số hãng sản xuất

1.2 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ HÀN VÀ THIẾT BỊ HÀN

Hàn là phương pháp rẽ tiền và hiệu quả nhất để nối cứng hai chi tiết kim loại với nhau Một mối hàn được tạo ra bằng cách đốt nóng kim loại tới điểm nóng chảy trong đó có hoặc không có dùng lực tác dụng

và kim loại điền đầy Có nhiều phương pháp hàn chính là hàn hồ quang

và hàn điểm ( hàn đối kháng)

b Nguyên lý của hàn

Khi hàn nóng chảy kim loại ở mối hàn đạt tới trạng thái lỏng Sự nóng chảy cục bộ của kim loại cơ bản được thực hiện tại các mép của phần tử ghép Có thể hàn bằng cách làm nóng chảy kim loại cơ bản hoặc kim loại cơ bản và vật liệu bổ sung Khi đốt nóng các thành phần này

sẽ tự rót vào bể hàn và tẩm ướt bề mặt rắn của các phần tử ghép Khi tắt nguồn đốt nóng, kim loại lỏng nguội và đông đặc - kết tinh, sau khi hàn kết tinh tạo thành mối hàn nguyên khối với cấu trúc liên kết hai chi tiết làm một

c Ƣu nhƣợc điểm của hàn

1 Ưu điểm

- Tiêu tốn ít kim loại

- Giảm chi phí lao động

- Rút ngắn thời gian sản xuất

2 Nhược điểm

- Trong quá trình hàn xảy ra sự bay hơi và oxi hóa một số nguyên

tố., sự hấp thụ và hòa tan các chất khí của bể kim loại cũng như những thay đổi của vùng nhiệt ảnh hưởng nhiệt Kết quả thành phần và cấu trúc của mối hàn khác với kim loại cơ bản Các biến dạng của kết cấu gây bởi ứng suất dư có thể làm sai lệch kích thước và hình dạng của nó và ảnh hưởng tới độ bền của mối ghép

d Một số khái niệm cơ bản

1 Hồ quang:

DaihocDaNang

1.3 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MIG

1.3.1 Khái niệm chung

Phương pháp này có tên gọi là hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ, hoặc tên thông dụng là hàn dây, hàn CO2, tên quốc tế là GMAW(Gas Metal Arc Welding) hình 1-15

Các thuật ngữ:

- MIG (Metal Inert Gas): môi trường khí bảo vệ là khí “trơ” được

sử dụng khi hàn thép hợp kim với kim loại màu Chủ yếu là khí

Argon hoặc Helium

- MAG (Metal Active Gas) : môi trường khí bảo vệ là khí “hoạt tính” được sử dụng khi hàn thép thường, thép hợp kim thấp Chủ yếu là CO2 hoặc Argon có trộn thêm Oxy, đôi khi là Hydro

1.3.2 Các ưu điểm của phương pháp hàn MIG-MAG

1.3.3 Các kiểu chuyển dịch kim loại trong quá trình Hàn MAG

MIG-1.3.4 Chế độ hàn

DaihocDaNang

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN KẾT CẤU, ĐỘNG HỌC VÀ ĐIỀU

KHIỂN ROBOT 2.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT

Bất kỳ một Robot nào cũng bao gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các khớp Hai chuyển động cơ bản của các khâu thông qua khớp quay và khớp tịnh tiến như hình 2-1

2.1.2 Gắn hệ tọa độ cho robot

2.1.3 Đặc trưng của các ma trận A

2.1.4 Xác định ma trận T6 theo các ma trân An

2.2 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO ROBOT

Trong các ứng dụng công nghiệp của robot, ta thường gặp hai trường hợp sau :

Trường hợp 1 : Khâu chấp hành cuối của robot chỉ cần đạt được vị

trí và hướng tại các điểm nút (điểm tựa : Knot point) Đây chính là phương pháp điều khiển điểm (PTP) Tại đó, bàn tay robot thực hiện các thao tác cầm nắm đối tượng hoặc buông nhả đối tượng

Trường hợp 2 : Khâu chấp hành cuối của robot phải xác định đường

đi qua các điểm nút theo thời gian thực Đó là trường hợp các tay máy trực tiếp thực hiện các nguyên công công nghệ như sơn, hàn, cắt kim loại

DaihocDaNang