Nghiên cứu thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII

Nghiên cứu thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega Aii. Giải pháp tối ưu quy trình, tăng năng suất và độ chính xác trong sản xuất.

• Tác giả: Hồ Quang Almega Aii
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Bùi Khôi
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo Máy
• Đề tài: Nghiên cứu tính toán thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
• 1.1. Giới thiệu tổng quan về Robot
• 1.2. Robot công nghiệp và ứng dụng
• 1.3. Robot hàn hồ quang
• 2. TÍNH TOÁN MÔ HÌNH
• 2.1. Cơ sở tính toán khảo sát Robot
• 2.1.1. Biểu diễn điểm trong không gian
• 2.1.2. Ma trận cosin chỉ hướng, ma trận quay
• 2.1.3. Vị trí, hướng của vật rắn
• 2.1.4. Phép biến đổi tọa độ thuần nhất
• 2.1.5. Phương pháp Denavit- Hartenberg (D-H)
• 2.2. Thiết lập phƣơng trình động học robot
• 2.2.1. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học
• 2.2.2. Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác
• 2.2.3. Phương trình động học robot
• 2.2.4. Bài toán động học thuận về vị trí của robot
• 2.2.5. Bài toán động học ngược về vị trí của robot
• 2.3. Bài toán động học robot hàn Almega AII khi vật hàn cố định
• 2.4. Động học robot hàn Almega AII khi vật hàn gắn trên đồ gá di động
• 3. THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT HÀN ALMEGA AII
• 3.1. Thiết kế đồ gá di động
• 3.1.1. Công dụng của đồ gá
• 3.1.2. Phân tích lựa chọn cấu trúc động học cho đồ gá
• 3.1.3. Mẫu mô hình đồ gá
• 3.2. Tính toán thiết kế các bộ truyền động
• 3.2.1. Lựa chọn động cơ
• 3.2.2. Tính toán bộ truyền cho đồ gá
• 3.3. Phân tích lựa chọn phôi
• 3.4. Phân tích công nghệ trong kết cấu chi tiết
• 3.5. Mô hình bản vẽ lắp 3D và bảng kê các chi tiết chính của đồ gá
• 3.6. Kiểm nghiệm độ bền của đồ gá bằng phần mềm COSMOSWorks
• 3.7. Mô phỏng hoạt động của robot hàn Almega AII
• 3.7.1. Phần mềm ứng dụng
• 3.7.2. Chương trình mô phỏng
• 3.7.3. Giao diện chương trình và ứng dụng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ gá di động cho robot hàn Kỷ nguyên mới

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, tự động hóa sản xuất đóng vai trò xương sống, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chế tạo và gia công kim loại. Công nghệ hàn, một phương pháp gia công không thể thiếu, đã chứng kiến những bước tiến vượt bậc với sự ra đời của hệ thống hàn robot công nghiệp. Các robot này mang lại độ chính xác, tốc độ và sự ổn định vượt trội so với phương pháp thủ công. Tuy nhiên, để robot phát huy tối đa hiệu quả, chúng cần một hệ thống phụ trợ quan trọng: đồ gá. Nghiên cứu về đồ gá di động cho robot hàn mở ra một kỷ nguyên mới, giải quyết các bài toán phức tạp về năng suất và tính linh hoạt. Không chỉ đơn thuần là một công cụ giữ phôi, đồ gá hiện đại là một phần không thể tách rời của một hệ thống sản xuất thông minh. Việc tích hợp hệ thống tự động giữa robot và đồ gá cho phép xử lý các chi tiết có biên dạng phức tạp, kích thước lớn mà không cần thay đổi vị trí của robot, qua đó tối ưu hóa chu trình sản xuất và giảm thiểu thời gian chết. Nghiên cứu này, dựa trên nền tảng tính toán và thiết kế cho robot hàn hồ quang Almega AII, tập trung vào việc phát triển một giải pháp fixture cho robot hàn có khả năng di chuyển theo chương trình, phối hợp nhịp nhàng với tay máy robot để thực hiện các đường hàn phức tạp, nâng cao đáng kể khả năng công nghệ của toàn bộ dây chuyền.

1.1. Vai trò của tự động hóa sản xuất trong ngành hàn

Tự động hóa trong ngành hàn không còn là một lựa chọn mà đã trở thành yêu cầu bắt buộc để nâng cao năng lực cạnh tranh. Việc ứng dụng robot giúp giải phóng con người khỏi môi trường làm việc độc hại, với bức xạ hồ quang, khí độc và nhiệt độ cao. Quan trọng hơn, robot đảm bảo chất lượng mối hàn đồng đều trên hàng loạt sản phẩm, điều mà tay nghề của con người khó có thể duy trì liên tục. Một hệ thống hàn robot công nghiệp điển hình có thể hoạt động 24/7, tăng năng suất lên nhiều lần. Các hệ thống này cho phép thực hiện các đường hàn phức tạp với độ chính xác cao, giảm thiểu phế phẩm và chi phí làm lại. Đây là yếu tố then chốt trong các ngành đòi hỏi tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe như sản xuất ô tô, xe máy, hàng không vũ trụ và đóng tàu.

1.2. Phân biệt đồ gá cố định và hệ thống gá kẹp linh hoạt

Đồ gá truyền thống thường được thiết kế cố định, chỉ phù hợp cho một loại chi tiết cụ thể. Điều này gây ra sự lãng phí lớn về thời gian và chi phí khi cần chuyển đổi sản xuất sang một sản phẩm khác. Ngược lại, hệ thống gá kẹp linh hoạt, đặc biệt là đồ gá di động, là một giải pháp vượt trội. Chúng được thiết kế với các cơ cấu có thể lập trình để di chuyển, quay hoặc thay đổi vị trí của phôi hàn. Thay vì robot phải di chuyển quanh chi tiết, đồ gá sẽ chủ động đưa vùng cần hàn đến vị trí làm việc tối ưu của robot. Điều này không chỉ mở rộng vùng làm việc hiệu quả mà còn cho phép robot thực hiện các đường hàn liên tục trên các chi tiết dài hoặc có biên dạng cong phức tạp mà không cần dừng lại để tái định vị, tạo ra một bước đột phá về hiệu suất.

II. Thách thức của robot hàn Giải pháp đồ gá di động tối ưu

Mặc dù robot hàn mang lại nhiều lợi ích, việc ứng dụng chúng trong thực tế vẫn đối mặt với không ít thách thức, đặc biệt là khi làm việc với các chi tiết phi tiêu chuẩn. Hầu hết các robot hàn công nghiệp đều có vùng làm việc bị giới hạn bởi tầm vươn của cánh tay robot. Khi phải xử lý các chi tiết lớn như khung xe ô tô, dầm thép hoặc các kết cấu phức tạp, robot cố định không thể tiếp cận hết các vị trí cần hàn. Điều này buộc nhà sản xuất phải đầu tư vào nhiều trạm robot hoặc phải di chuyển chi tiết một cách thủ công, làm giảm hiệu quả tự động hóa và tăng thời gian chu trình. Đây chính là lúc nghiên cứu và thiết kế đồ gá di động cho robot hàn trở thành giải pháp chiến lược. Một đồ gá hàn tự động được thiết kế tốt không chỉ định vị và kẹp chặt phôi mà còn có khả năng di chuyển tịnh tiến hoặc quay phôi theo một quỹ đạo được lập trình sẵn. Sự kết hợp này biến một robot 6 bậc tự do thành một hệ thống sản xuất có năng lực công nghệ cao hơn, có thể dễ dàng giải quyết các bài toán hàn phức tạp. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Bích Ngần (2011) đã chỉ ra rằng, việc tích hợp đồ gá di động giúp "nâng cao khả năng công nghệ của robot" và là "rất cần thiết" để tối ưu hóa năng suất.

2.1. Hạn chế về vùng làm việc và biên dạng hàn phức tạp

Vùng làm việc của robot là một trong những rào cản lớn nhất. Khi đường hàn dài hơn tầm với của robot hoặc nằm ở những vị trí khó tiếp cận, giải pháp truyền thống là dừng máy, thay đổi vị trí chi tiết rồi tiếp tục hàn. Quá trình này không chỉ tốn thời gian mà còn tiềm ẩn nguy cơ sai lệch vị trí, ảnh hưởng đến chất lượng mối nối. Các chi tiết có biên dạng cong, xoắn trong không gian như ống xả, khung xe máy là một thách thức lớn. Để duy trì góc mỏ hàn tối ưu, cả robot và chi tiết cần có sự chuyển động phối hợp. Một đồ gá cố định không thể đáp ứng yêu cầu này, trong khi một đồ gá di động có thể quay và định vị chi tiết một cách linh hoạt, đảm bảo mỏ hàn luôn ở vị trí lý tưởng.

2.2. Yêu cầu về năng suất và hiệu quả trong cơ khí chế tạo

Trong ngành cơ khí chế tạo hiện đại, áp lực về thời gian giao hàng và giá thành sản phẩm là rất lớn. Mỗi giây tiết kiệm được trong chu trình sản xuất đều mang lại lợi thế cạnh tranh. Việc dừng robot để điều chỉnh chi tiết là một sự lãng phí không thể chấp nhận. Đồ gá di động cho robot hàn giúp loại bỏ thời gian chết này. Bằng cách lập trình offline robot và đồ gá, toàn bộ quá trình hàn có thể diễn ra liên tục từ đầu đến cuối. Hơn nữa, một hệ thống đồ gá linh hoạt có thể được tái sử dụng cho nhiều loại sản phẩm khác nhau chỉ bằng cách thay đổi chương trình điều khiển và các chi tiết kẹp, giúp giảm chi phí đầu tư dài hạn và tăng cường khả năng thích ứng của dây chuyền sản xuất.

III. Hướng dẫn nghiên cứu động học cho hệ robot đồ gá di động

Để thiết kế một hệ thống robot và đồ gá di động hoạt động hiệu quả, việc phân tích và tính toán động học là bước nền tảng không thể bỏ qua. Động học nghiên cứu chuyển động của hệ thống mà không xét đến lực tác động, tập trung vào mối quan hệ giữa vị trí, vận tốc của các khớp và vị trí, hướng của khâu tác động cuối (mỏ hàn). Mục tiêu của việc nghiên cứu này là xây dựng một mô hình toán học chính xác, cho phép điều khiển phối hợp chuyển động giữa robot và đồ gá để mỏ hàn luôn bám theo quỹ đạo hàn mong muốn. Tài liệu "Nghiên cứu tính toán thiết kế đồ gá di động cho robot hàn hồ quang Almega AII" đã áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) để thiết lập phương trình động học. Đây là một phương pháp tiêu chuẩn trong ngành robotics, giúp biểu diễn mối quan hệ tọa độ giữa các khâu một cách hệ thống thông qua các ma trận biến đổi thuần nhất. Việc giải quyết thành công bài toán động học thuận và ngược là chìa khóa để lập trình offline robot và mô phỏng chính xác hoạt động của toàn bộ hệ thống trước khi đưa vào chế tạo, đảm bảo tối ưu hóa thiết kế đồ gá ngay từ giai đoạn đầu.

3.1. Thiết lập phương trình động học bằng phương pháp D H

Phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) là công cụ toán học mạnh mẽ để mô tả cấu trúc động học của một chuỗi các khâu nối tiếp nhau, điển hình là cánh tay robot. Phương pháp này quy ước cách gắn hệ tọa độ lên mỗi khâu và xác định 4 tham số (θ, d, a, α) để mô tả vị trí tương đối giữa hai khâu kề nhau. Từ các tham số này, một ma trận biến đổi thuần nhất (ma trận A) được xây dựng cho mỗi khớp. Bằng cách nhân liên tiếp các ma trận này, ta có thể xác định được vị trí và hướng của mỏ hàn so với gốc tọa độ của robot. Tương tự, một ma trận khác mô tả chuyển động của đồ gá di động cũng được thiết lập. Phương trình động học cuối cùng được hình thành bằng cách đặt hai ma trận này bằng nhau, thể hiện điều kiện mỏ hàn phải trùng với điểm cần hàn trên chi tiết.

3.2. Phân tích bài toán động học thuận và động học ngược

Bài toán động học bao gồm hai dạng chính. Bài toán động học thuận (Forward Kinematics) là xác định vị trí và hướng của mỏ hàn khi biết giá trị góc của tất cả các khớp robot. Bài toán này tương đối đơn giản và luôn có lời giải duy nhất, thường được sử dụng trong mô phỏng robot hàn. Ngược lại, bài toán động học ngược (Inverse Kinematics) là tìm ra các giá trị góc khớp cần thiết để đưa mỏ hàn đến một vị trí và hướng mong muốn trong không gian. Đây là bài toán phức tạp hơn, có thể có nhiều lời giải hoặc vô nghiệm, nhưng lại cực kỳ quan trọng cho việc điều khiển robot trong thực tế. Việc giải thành công bài toán động học ngược cho hệ robot-đồ gá cho phép bộ điều khiển tính toán và ra lệnh cho các động cơ một cách chính xác.

IV. Quy trình thiết kế đồ gá di động cho robot hàn chi tiết

Quy trình thiết kế một đồ gá di động cho robot hàn không chỉ là công việc cơ khí đơn thuần mà là một quá trình tích hợp đa ngành, bao gồm cơ khí, tự động hóa và điều khiển. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống không chỉ cứng vững, chính xác mà còn phải linh hoạt và dễ dàng tích hợp với robot. Quá trình này bắt đầu từ việc phân tích yêu cầu công nghệ của chi tiết cần hàn, bao gồm hình dáng, kích thước, vật liệu và vị trí các đường hàn. Dựa trên phân tích đó, cấu trúc động học của đồ gá được lựa chọn, ví dụ như bàn quay, bàn trượt tịnh tiến, hoặc kết hợp cả hai. Việc lựa chọn vật liệu làm đồ gá cũng rất quan trọng, cần đảm bảo độ cứng, khả năng chịu nhiệt và chống biến dạng do nhiệt trong quá trình hàn. Giai đoạn tiếp theo là thiết kế chi tiết các cơ cấu định vị phôi và cơ cấu kẹp. Các cơ cấu này phải đảm bảo phôi được giữ cố định một cách chắc chắn nhưng không gây biến dạng và dễ dàng tháo lắp. Cuối cùng, hệ thống truyền động và điều khiển được tích hợp để hiện thực hóa các chuyển động đã được tính toán trong phần nghiên cứu động học. Đây là một quy trình đòi hỏi sự chính xác và tối ưu hóa thiết kế đồ gá ở từng bước.

4.1. Lựa chọn cấu trúc và vật liệu làm đồ gá phù hợp

Cấu trúc của đồ gá quyết định khả năng chuyển động của nó. Các cấu trúc phổ biến bao gồm một trục quay, hai trục quay, hoặc kết hợp giữa quay và tịnh tiến. Lựa chọn cấu trúc phụ thuộc vào độ phức tạp của chi tiết hàn. Ví dụ, để hàn các chi tiết dạng ống tròn, một đồ gá có một trục quay là đủ. Nhưng để hàn khung xe, một hệ thống có nhiều bậc tự do hơn là cần thiết. Về vật liệu, thép carbon như C45, S45C thường được sử dụng cho khung và các chi tiết chịu lực chính do độ cứng và giá thành hợp lý. Các chốt định vị, má kẹp tiếp xúc trực tiếp với phôi và nhiệt độ cao có thể được làm từ thép hợp kim đã qua nhiệt luyện để tăng độ cứng và chống mài mòn.

4.2. Tính toán và thiết kế cơ cấu định vị phôi chính xác

Chức năng cốt lõi của đồ gá là định vị phôi. Cơ cấu định vị phôi phải đảm bảo chi tiết được đặt vào cùng một vị trí và hướng với độ lặp lại cao sau mỗi lần gá lắp. Nguyên tắc 6 điểm định vị thường được áp dụng để khống chế hoàn toàn các bậc tự do của chi tiết trong không gian. Các cơ cấu kẹp (thường là kẹp khí nén hoặc thủy lực) phải tạo ra lực đủ lớn để giữ chặt phôi chống lại các lực sinh ra trong quá trình hàn và di chuyển, nhưng không được quá lớn để gây biến dạng chi tiết. Thiết kế vị trí của các điểm định vị và kẹp cần được tính toán kỹ lưỡng để tránh cản trở đường đi của mỏ hàn.

4.3. Tích hợp cảm biến và bộ điều khiển PLC vào hệ thống

Để đồ gá di động có thể hoạt động một cách thông minh và an toàn, việc tích hợp các thiết bị tự động hóa là bắt buộc. Bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) đóng vai trò là bộ não, nhận tín hiệu từ hệ thống điều khiển trung tâm (hoặc bộ điều khiển robot) và ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành như động cơ servo, xi lanh khí nén. Các cảm biến vị trí (cảm biến tiệm cận, encoder) được sử dụng để cung cấp phản hồi về vị trí thực tế của đồ gá, đảm bảo chuyển động chính xác theo chương trình. Hệ thống này đảm bảo sự đồng bộ tuyệt đối giữa chuyển động của robot và đồ gá, tạo thành một hệ thống tự động hoàn chỉnh và hiệu quả.

V. Bí quyết mô phỏng và kiểm nghiệm đồ gá di động hiệu quả

Trước khi tiến hành chế tạo, việc mô phỏng và kiểm nghiệm thiết kế trên môi trường số là một bước cực kỳ quan trọng và tiết kiệm chi phí. Quá trình này giúp phát hiện sớm các sai sót trong thiết kế, từ va chạm cơ khí, giới hạn chuyển động cho đến các vấn đề về độ bền kết cấu. Mô phỏng robot hàn cho phép tạo ra một bản sao kỹ thuật số của toàn bộ trạm hàn, bao gồm robot, đồ gá và chi tiết. Trên mô hình này, người kỹ sư có thể lập trình và chạy thử toàn bộ chu trình hàn, kiểm tra xem robot có thể tiếp cận tất cả các điểm hàn hay không, có xảy ra va chạm giữa mỏ hàn và đồ gá không. Bên cạnh mô phỏng động học, việc kiểm nghiệm độ bền kết cấu cũng là yếu tố sống còn. Công cụ phân tích phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để đánh giá khả năng chịu lực của các chi tiết quan trọng trên đồ gá. Như trong luận văn gốc, phần mềm COSMOSWorks (nay là một phần của SolidWorks Simulation) đã được dùng để phân tích ứng suất và biến dạng của các bộ phận như mâm quay, trục... đảm bảo an toàn và độ tin cậy khi vận hành. Đây là bí quyết để tối ưu hóa thiết kế đồ gá và giảm thiểu rủi ro.

5.1. Sử dụng phần mềm mô phỏng robot hàn để đánh giá

Các phần mềm như RobotStudio (ABB), MotoSim (Yaskawa), hoặc các plugin trong SolidWorks, CATIA cho phép nhập mô hình 3D của robot và đồ gá vào một môi trường ảo. Tại đây, quá trình lập trình offline robot có thể được thực hiện. Người dùng có thể dạy robot các điểm hàn, thiết lập quỹ đạo di chuyển và đồng bộ hóa với chuyển động của đồ gá. Việc mô phỏng giúp xác định thời gian chu trình một cách chính xác, tối ưu hóa đường chạy dao (đường đi của mỏ hàn) để giảm thời gian không làm việc. Quan trọng nhất, nó phát hiện các lỗi tiềm tàng mà nếu xảy ra trên thực tế có thể gây hư hỏng thiết bị trị giá hàng tỷ đồng.

5.2. Phân tích phần tử hữu hạn FEA để kiểm tra độ bền

Thiết kế cơ khí không chỉ cần đúng về mặt hình học mà còn phải đủ bền. Phân tích phần tử hữu hạn (FEA) là phương pháp số hóa một chi tiết thành một lưới các phần tử nhỏ để tính toán ứng suất, biến dạng và chuyển vị dưới tác động của các lực giả định (trọng lượng chi tiết, lực kẹp, lực động khi di chuyển). Kết quả phân tích được thể hiện qua các bản đồ màu sắc, chỉ ra những vùng có ứng suất tập trung cao, có nguy cơ bị phá hủy. Dựa vào kết quả này, kỹ sư có thể điều chỉnh thiết kế, ví dụ như tăng độ dày, thêm gân chịu lực, hoặc thay đổi vật liệu tại các vị trí quan trọng để đảm bảo đồ gá hoạt động ổn định và bền bỉ trong suốt vòng đời sản phẩm.

VI. Tương lai của đồ gá di động Tích hợp AGV và AI

Lĩnh vực đồ gá di động cho robot hàn vẫn đang tiếp tục phát triển với những xu hướng công nghệ mới, hứa hẹn sẽ định hình lại bộ mặt của các nhà máy thông minh trong tương lai. Hướng đi rõ rệt nhất là sự tích hợp hệ thống tự động ở một cấp độ cao hơn, nơi đồ gá không chỉ di chuyển trên một ray cố định mà còn có thể tự hành hoàn toàn. Sự kết hợp giữa đồ gá và xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) đang mở ra khái niệm về các trạm hàn di động. Thay vì đưa chi tiết đến trạm hàn, AGV sẽ mang cả đồ gá và chi tiết di chuyển linh hoạt giữa các công đoạn sản xuất, tạo ra một dây chuyền có khả năng tùy biến và sắp xếp lại gần như tức thời. Bên cạnh đó, trí tuệ nhân tạo (AI) và thị giác máy (Machine Vision) cũng sẽ đóng vai trò quan trọng. Các hệ thống này có thể tự động nhận dạng chi tiết, điều chỉnh chương trình hàn và kiểm tra chất lượng mối hàn theo thời gian thực. Tương lai của fixture cho robot hàn là những hệ thống thông minh, tự hành và có khả năng tự tối ưu hóa, trở thành một mắt xích không thể thiếu trong nền sản xuất 4.0.

6.1. Xu hướng tích hợp hệ thống tự động với xe tự hành AGV

Việc tích hợp xe tự hành AGV cho ngành hàn vào hệ thống đồ gá sẽ phá vỡ hoàn toàn cấu trúc dây chuyền sản xuất cố định truyền thống. Một AGV có thể nhận nhiệm vụ tại kho, tự động di chuyển đến vị trí lấy phôi, gá đặt chi tiết lên đồ gá tích hợp sẵn, sau đó di chuyển đến trạm robot hàn. Sau khi hàn xong, nó tiếp tục đưa sản phẩm đến công đoạn tiếp theo hoặc khu vực kiểm tra chất lượng. Mô hình này mang lại sự linh hoạt tối đa, cho phép nhà máy sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau trên cùng một không gian mà không cần tái cấu trúc cơ sở hạ tầng tốn kém. Đây là một bước tiến lớn trong việc hiện thực hóa nhà máy thông minh và linh hoạt.

6.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong nền sản xuất 4.0

Trong bối cảnh Công nghiệp 4.0, dữ liệu là cốt lõi. Các đồ gá di động thế hệ mới sẽ được trang bị nhiều loại cảm biến hơn, không chỉ để đo vị trí mà còn để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, lực kẹp, độ rung... Dữ liệu này sẽ được truyền về hệ thống trung tâm, nơi AI có thể phân tích để dự đoán lỗi, bảo trì dự phòng và tối ưu hóa quy trình hàn liên tục. Thị giác máy có thể được sử dụng để hiệu chỉnh vị trí của chi tiết với độ chính xác cực cao trước khi hàn, bù trừ cho các sai số trong quá trình gá đặt. Sự hội tụ của cơ khí chế tạo chính xác, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo sẽ biến đồ gá từ một công cụ thụ động thành một đối tác thông minh của robot hàn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG 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 NGUYỄN THỊ BÍCH NGẦN THÁI NGUYÊN, 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 1 http://www.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG 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 CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS. Phan Bùi Khôi Nguyễn Thị Bích Ngần KHOA ĐÀO TẠO SĐH BGH TRƯỜNG ĐHKTCN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 2 http://www.vn 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 3 http://www.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG I. 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT. Error! Bookmark not defined.1 Giới thiệu tổng quan về Robot. Error! Bookmark not defined.2 Robot công nghiệp và ứng dụng.

Error! Bookmark not defined.3 Robot hàn hồ quang. Error! Bookmark not defined. 11 TÍNH TOÁN MÔ HÌNH. Error! Bookmark not defined.1 Cơ sở tính toán khảo sát Robot.

Error! Bookmark not defined.1 Biểu diễn điểm trong không gian. Error! Bookmark not defined.2 Ma trận cosin chỉ hướng, ma trận quay. Error! Bookmark not defined.3 Vị trí, hướng của vật rắn. Error! Bookmark not defined.4 Phép biến đổi tọa độ thuần nhất.

Error! Bookmark not defined.5 Phương pháp Denavit- Hartenberg (D-H). Error! Bookmark not defined.2 Thiết lập phƣơng trình động học robot. Error! Bookmark not defined.1 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động học. Error! Bookmark not defined.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 4 http://www.2 Thiết lập ma trận trạng thái khâu thao tác theo tọa độ thao tác. Error! Bookmark not defined.3 Phương trình động học robot. Error! Bookmark not defined.4 Bài toán động học thuận về vị trí của robot. Error! Bookmark not defined.5 Bài toán động học ngược về vị trí của robot Error! Bookmark not defined.3 Bài toán động học robot hàn Almega AII khi vật hàn cố định.

Error! Bookmark not defined.4 Động học robot hàn Almega AII khi vật hàn gắn trên đồ gá di động. Error! Bookmark not defined. 48 THIẾT KẾ ĐỒ GÁ DI ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT HÀN ALMEGA AII. Error! Bookmark not defined.1 Thiết kế đồ gá di động.

Error! Bookmark not defined.1 Công dụng của đồ gá. Error! Bookmark not defined.2 Phân tích lựa chọn cấu trúc động học cho đồ gá Error! Bookmark not defined.3 Mẫu mô hình đồ gá. Error! Bookmark not defined.2 Tính toán thiết kế các bộ truyền động. Error! Bookmark not defined.1 Lựa chọn động cơ.

Error! Bookmark not defined.2 Tính toán bộ truyền cho đồ gá. Error! Bookmark not defined. Error! Bookmark not defined.4 Phân tích lựa chọn phôi. Error! Bookmark not defined.5 Phân tích công nghệ trong kết cấu chi tiết.

Error! Bookmark not defined. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 5 http://www.6 Mô hình bản vẽ lắp 3D và bảng kê các chi tiết chính của đồ gá. Error! Bookmark not defined.7 Kiểm nghiệm độ bền của đồ gá bằng phần mềm COSMOSWorks. Error! Bookmark not defined.3 Mô phỏng hoạt động của robot hàn Almega AII.

Error! Bookmark not defined.1 Phần mềm ứng dụng. Error! Bookmark not defined.2 Chương trình mô phỏng. Error! Bookmark not defined.3 Giao diện chương trình và ứng dụng. Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU THAM KHẢO. Error! Bookmark not defined. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 6 http://www.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CHÍNH Stt Ký hiệu Mô tả 1 D-H Denavit and Hartenberg 2 ai Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox 3 αi Góc quay quanh trục ox 4 di Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz 5 θi Góc quay quanh trục oz 6 qi Biến khớp thứ (i) 7 Ai Ma trận truyền giữa khâu (i-1) và khâu (i) 8 rot Góc quay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 7 http://www.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Hình số Nội dung Trang 1 Hình 1.1 Robot hàn Allmega AII 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 4 Hình 2.1 Robot hàn Allmega AII 11 5 Hình 2.2 Hệ quy chiếu cố định 12 6 Hình 2.3 Hai hệ quy chiếu chung gốc 0 12 7 Hình 2.4 Hai hệ quy chiếu liên hệ với nhau một góc α 14 8 Hình 2.5 Vị trí vật trong không gian 3 chiều 15 9 Hình 2.6 Phương pháp các góc Euler 16 10 Hình 2.7 Phương pháp các góc Cardan 17 Vector định vị một điểm P thuộc vật rắn trong 11 Hình 2.8 18 không gian 3 chiều 12 Hình 2.9 Phương pháp Denavit- Hartenberg 22 13 Hình 2.10 Quỹ đạo hàn 33 14 Hình 2.11 Gắn các hệ tọa độ cho robot 36 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 17 Hình 3.1 Mô hình đồ gá 49 18 Hình 3.2 Robot song song 49 19 Hình 3.3 Mô hình động học 50 20 Hình 3.4 Các hình chiếu của mô hình đồ gá 51 21 Hình 3.5 Tính chọn động cơ 52 22 Hình 3.6 Bánh răng đai lớn 54 23 Hình 3.7 Bánh răng đai nhỏ 54 24 Hình 3.8 Ổ đỡ 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 8 http://www.9 Trục dài 56 26 Hình 3.10 Trục ngắn 56 27 Hình 3.11 Chi tiết mâm đỡ (bàn động 1) 57 28 Hình 3.12 Chi tiết dạng bạc 57 29 Hình 3.13 Bản vẽ lắp 3D 58 30 Hình 3.14 Giao diện của phần mềm COSMOSWorks 59 31 Hình 3.15 Chuyển vị của bàn động 1 61 32 Hình 3.16 Ứng suất của bàn động 1 61 33 Hình 3.17 Sức căng của bàn động 1 62 34 Hình 3.18 Ứng suất của trục 2 62 35 Hình 3.19 Sức căng của trục 2 63 36 Hình 3.20 Chuyển vị của trục 2 63 37 Hình 3.21 Ứng suất bàn động 2 (mâm quay) 64 38 Hình 3.22 Sức căng bàn động 2 (mâm quay) 64 39 Hình 3.23 Chuyển vị bàn động 2 (mâm quay) 65 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 Giao diện mô phỏng robot hàn 2 chi tiết với chiều 42 Hình 3.26 70 dài đường hàn lớn Giao diện mô phỏng robot 2 chi tiết với quỹ đạo 43 Hình 3.27 71 hàn là một đường cong không gian 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 9 http://www.vn DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Stt Bảng số Nội dung Trang 1 Bảng 3.1 So sánh robot chuỗi và robot song song 49 2 Bảng 3.2 Bảng phân phối tỷ số truyền 53 3 Bảng 3.3 Bảng kê các chi tiết 58 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 10 http://www.vn 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” Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 11 http://www.vn 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 12 http://www.vn CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.