Luận văn: Tính toán động học và mô phỏng robot hàn di động trong đóng tàu

Tài liệu nghiên cứu Mô phỏng robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy góp phần nâng cao kiến thức chuyên ngành và ứng dụng ứng dụng trong giảng dạy

• Tác giả: Nguyễn Quang Phúc
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Bùi Khôi
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Tính Toán Động Học Và Mô Phỏng Hoạt Động Robot Hàn Di Động Trong Chế Tạo Vỏ Tàu Thủy
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy

Robot hàn di động đã trở thành công nghệ thiết yếu trong ngành chế tạo hàng hải hiện đại. Hệ thống này kết hợp công nghệ tự động hóa tiên tiến với khả năng di chuyển linh hoạt, cho phép thực hiện các công việc hàn phức tạp trên bề mặt vỏ tàu một cách hiệu quả. Ứng dụng robot hàn tự động trong công nghiệp đóng tàu giúp tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất đáng kể. Các nhà máy đóng tàu hàng đầu trên thế giới đã áp dụng rộng rãi công nghệ này để cải thiện hiệu quả sản xuất và độ an toàn cho công nhân.

1.1. Lịch sử phát triển robot công nghiệp trong ngành tàu thủy

Từ những năm 1980, robot hàn bắt đầu được ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo. Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và ứng dụng robot di động còn khá mới. Các công ty đóng tàu lớn đã bắt đầu đầu tư vào hệ thống hàn tự động để cải thiện chất lượng và tốc độ sản xuất. Xu hướng này tiếp tục phát triển mạnh mẽ nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh của ngành.

1.2. Đặc tính kỹ thuật của hệ thống hàn di động

Robot hàn di động sở hữu những đặc tính kỹ thuật vượt trội như độ chính xác cao, khả năng thích ứng với các hình dạng phức tạp và tốc độ hàn ổn định. Hệ thống này được trang bị cảm biến thị giác và các thiết bị điều khiển thông minh, cho phép tự động điều chỉnh vị trí hàn. Năng lượng được cung cấp thông qua nguồn hàn hơi quang hiện đại, đảm bảo chất lượng mối hàn không bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường.

II. Cơ sở lý thuyết mô phỏng động học robot hàn

Mô phỏng động học là quá trình tính toán và phân tích chuyển động của robot hàn di động dựa trên các phương pháp toán học và vật lý. Phương pháp Denavit-Hartenberg là nền tảng chính để xây dựng mô hình động học cho hệ thống robot. Thông qua tọa độ thuần nhất và ma trận biến đổi tọa độ, ta có thể xác định chính xác vị trí và hướng của đầu hàn tại bất kỳ thời điểm nào. Quá trình tính toán động học giúp tối ưu hóa quỹ đạo hàn, đảm bảo an toàn và hiệu quả cao nhất.

2.1. Phương pháp Denavit Hartenberg trong phân tích robot

Phương pháp này sử dụng 4 tham số D-H để mô tả mối quan hệ giữa các khâu robot. Mỗi khâu được xác định bởi chiều dài, góc xoay, khoảng cách khớp và góc xoay khớp. Thông qua ma trận biến đổi, ta có thể tính toán vị trí từng khâu và vị trí cuối cùng của đầu hàn robot trong không gian ba chiều, từ đó lập kế hoạch quỹ đạo hàn tối ưu.

2.2. Hệ tọa độ và ma trận biến đổi trong mô phỏng

Tọa độ thuần nhất cho phép biểu diễn vị trí và hướng của robot trong không gian ba chiều một cách thống nhất. Ma trận biến đổi tọa độ kết nối các khâu robot thông qua tích các ma trận riêng lẻ. Phương pháp này giúp xác định chính xác vị trí làm việc của robot hàn và kiểm tra khả năng tiếp cận các điểm hàn trên vỏ tàu.

III. Mô hình mô phỏng robot hàn di động trên vỏ tàu

Mô hình mô phỏng 3D của robot hàn di động được xây dựng dựa trên phần mềm CAD hiện đại như SolidWorks. Mô hình này bao gồm các khâu cơ khí, khớp quay, và hệ thống truyền động chi tiết. Mô phỏng cho phép kiểm chứng quỹ đạo hàn trước khi triển khai thực tế, giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa thời gian sản xuất. Các tham số động học được tích hợp vào mô hình để mô phỏng chuyển động chính xác trong các điều kiện thực tế của quá trình hàn vỏ tàu.

3.1. Cấu trúc khâu cơ khí của robot hàn di động

Robot hàn được thiết kế với 4 khâu chính kết nối bởi các khớp quay. Mỗi khâu được mô hình hóa chi tiết với hình học 3D chính xác. Đầu hàn được gắn tại đầu robot, cho phép tiếp cận các vị trí hàn khó khăn trên vỏ tàu. Hệ thống ray dẫn hướng cho phép robot di chuyển dọc theo các cạnh tàu để thực hiện hàn liên tục trên các mối hàn dài.

3.2. Mô phỏng quỹ đạo hàn và tối ưu hóa chuyển động

Quỹ đạo hàn được tính toán dựa trên hình dạng thực tế của vỏ tàu và vị trí các mối hàn. Phần mềm mô phỏng cho phép kiểm tra không gian làm việc và phát hiện va chạm tiềm ẩn. Thông qua tối ưu hóa thuật toán, ta có thể giảm thời gian hàn và cải thiện chất lượng mối hàn, đạt hiệu suất sản xuất tối đa.

IV. Ứng dụng thực tiễn và triển vọng của robot hàn di động

Robot hàn di động đã được ứng dụng thành công tại nhiều nhà máy đóng tàu lớn trên thế giới. Công nghệ này cho phép thực hiện các công việc hàn phức tạp với độ chính xác cao, giảm thiểu các khuyết tật hàn và nâng cao chất lượng sản phẩm. Tại Việt Nam, các công ty đóng tàu hàng đầu đang dần áp dụng công nghệ này để nâng cao năng lực cạnh tranh. Triển vọng phát triển của robot hàn tự động rất lớn, đặc biệt là khi kết hợp với công nghệ trí tuệ nhân tạo và cảm biến thông minh để tăng cường khả năng tự động hóa.

4.1. Những lợi ích kinh tế của hàn tự động trong ngành tàu thủy

Robot hàn di động giúp tăng năng suất lao động lên 30-50% so với hàn thủ công. Chi phí sản xuất giảm đáng kể nhờ giảm thiểu lãng phí vật liệu và tăng hiệu suất. Chất lượng sản phẩm ổn định, giảm tỷ lệ lỗi hàn. Ngoài ra, hệ thống này giảm tải công việc nặng cho công nhân, cải thiện điều kiện làm việc an toàn hơn.

4.2. Xu hướng phát triển công nghệ hàn tự động trong tương lai

Tương lai robot hàn sẽ phát triển theo hướng tăng cường tính thông minh với công nghệ IoT và cloud computing. Cảm biến thị giác và học máy sẽ cho phép robot tự thích ứng với các điều kiện hàn khác nhau. Tích hợp thực tế ảo trong mô phỏng giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất. Xu hướng này hứa hẹn mang lại bước nhảy vọt cho ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tiiên nay, việc ứng dụng nhanh các hiển bộ kỹ thuật vào sản xuất ở các ngành công nghiệp là môi nhu câu cấp bách, đặc biết là ứng đụng kỹ lhuật lự động hóa trong các nhà máy công nghiệp. Nhiễu ứng đụng đã đem lại hiệu qua rit to lớn, tăng măng suất lao động, nàng cao chất lượng sản phẩm. Công nghệ tự động hóa và người máy hỏa đang được áp dụng rộng rồi trong các ngảnh công nghiệp chế tạo hảng loạt lớn như chế tạo ô tô vả hàng tiêu dùng do: Phản lớn các nguyên công lặp lại hàng nghìn chu kỷ hệt như nhau trong một khoảng thời gian giới hạn, tải giới hạn, Việc lập kế hoạch và tối ưu hỏa ngay cả các công đoạn phúc tạp nhất cùng có thể thực hiện được không chỉ qua mô phỏng má còn qua thử vả sửa. Các thao tác tụ động có thể tự điển chỉnh qua kinh nghiệm thực hiện.

Độ chính xác có thể thực hiện đuọc nhờ đủng những chỉ tiết kẹp giữ, định vị rất cứng Không có cáo yêu cầu đặc biệt về an toàn và độ tin cậy. Ngược lại trong ngành công nghiệp đóng tàu thì phần lớn các công đoạn đóng, tau hiện chưa được tự động hóa mà nguyên nhân chính nằm ở bản chất của việc đóng tàu lä sản xuất đơn chiếc với: Các nguyên công nói chung là không giếng nhau, rất it lặp lại Lập kế hoạch vả tối ưu hoá chỉ có thể thực hiện qua mô phỏng. Tải (thời gian, trọng lượng, chỉ phí) là rất lớn. Các thiết bị máy tự động không có điều kiện tự học hỏi rút kinh nghiệm được.

Thuong có những yêu cầu rất cao về an toàn va 46 tin cậy do chỉ tiết, cầu kiện có kich thước vả trọng lượng rất lớn và giá thành thiết bị cao. Tuân văn thạc sĩ Khoa học CHẾ Iqo nhậy Trang 8 Tinh todn động học và mã phẳng hoad động rohat han di déng trong ché tao v6 tea tity DANH MỤC CÁC BẰNG Trang Bang 2. Bảng tham số động hoc D-H 45 Bang 3. Toạ độ mỗi hàn P; trên quỹ đạo hàn trong hệ tọa độ OuX¿Y 2ø 60 Bang 3.

Kết quả tỉnh toán qui luật chuyển động các khâu 65 Tuân văn thạc sĩ Khoa học CHẾ Iqo nhậy Trang 5 Tinh todn động học và mã phẳng hoad động rohat han di déng trong ché tao v6 tea tity DANH MỤC CÁC BẰNG Trang Bang 2. Bảng tham số động hoc D-H 45 Bang 3. Toạ độ mỗi hàn P; trên quỹ đạo hàn trong hệ tọa độ OuX¿Y 2ø 60 Bang 3. Kết quả tỉnh toán qui luật chuyển động các khâu 65 Tuân văn thạc sĩ Khoa học CHẾ Iqo nhậy Trang 5 Tinh todn động học và mã phẳng hoad động rohat han di déng trong ché tao v6 tea tity DANH MỤC CÁC BẰNG Trang Bang 2.

Bảng tham số động hoc D-H 45 Bang 3. Toạ độ mỗi hàn P; trên quỹ đạo hàn trong hệ tọa độ OuX¿Y 2ø 60 Bang 3. Kết quả tỉnh toán qui luật chuyển động các khâu 65 Tuân văn thạc sĩ Khoa học CHẾ Iqo nhậy Trang 5 Tinh todn động học và mã phẳng hoad động rohat han di déng trong ché tao v6 tea tity Ngày nay, một số công đoạn đâu của quả trinh đỏng vẻ thép tảu như vạch dâu. cất, chế tạo các cụm chỉ tiết phẳng,.

đã được tự động hỏa. Trong khi đó việc hàn đấu nói tổng đoạn tàu khí lắp ráp đâu đả trong u hoặc trêu triển, đà, nhất lả phia bên. trong tàu đều phải hàn thủ công, chưa được tự động hóa. Trong những năm gân day, việc nghiên cứu ứng dụng Eobot hàn tự động để tụ động hóa công đoạn này đang được các nhà nghiền cứu trong nước và trên thế giới rất quan tầm do một sổ tru điểm sau « _ Tăng năng suất lên 3,6 lần.

«_ Giảm 109% thời gian lắp ráp trên triển hoặc ụ, đo đó tăng hượng thông qua. « - Chất lượng mdi han tét hon nhờ tự động hóa, giảm được 10 20% mỗi hản khuyết tật « _ Tránh cho công nhân khỏi những công việc nhằm chán, độc hại, nguy hiểm. Qua phân lích về các công đoạn của công nghệ đóng tâu và thực trạng tự động hoá trong công nghệ đỏng tàu ở các nhà máy tại Việt Nam, cũng như các nghiền cau Robot han trong công nghệ đóng tàu trên thé giới có thẻ nhận thay là: Ở Việt Nam việc sử dụng Robot hàn, hay nói cách khác là hản tự động trong các công đoạn đỏng tàn còn rất nhiều hạn chế. Hiện nay chỉ mới sử dụng hàn bản tự động cáo mới hản giáp mỗi ở các công đoạn chế lạo các phân đoạn phẳng và các tổng đoạn chế tạo các phần đoạn ở trên các bệ chuyên dùng ở các phân xưởng.

Mặt khác khi lắp ráp hàn nỗi các phân đoạn vả tổng đoạn trên triền đả chủ là thủ công, do người công nhân thực hiên. Do đó năng suất lao đồng chua cao, chất lượng chưa đều. Đây chính là nhu cầu cần thiết phải nghiên cứu để làm chủ các tiễn bộ khoa học trên thể giới nhằm hoàn thiên việc tự động hoá các công đoạn đỏng làn ớ Việt Nam. Đặc biệt là công đoạn bản nổi các tổng đoạn, đây là một sông việc đổi hội nhiều nỗ lực của người công nhân khi bản các môi hàn giáp mối của các lổng đoạn Voi nhận xét trên đây, tác giả luận văn lựa chọn để tải: “Tính đoán động học và mô phông hoạt động Rohot hàn dì động trong chỗ tạo vô tên thủy” nhằm đề cập Tuân văn thạc sĩ Khoa học CHẾ Iqo nhậy Trang 9 Tinh todn động học và mã phẳng hoad động rohat han di déng trong ché tao v6 tea tity Linh 2.13: 'Hệ tọa độ thao tác của mỏ hản Hình 3.1: Mô hình mỗi hản trong hàn vẻ tàu 1lình 3.2: Mặt cắt ngang của tân 1lỉnh 3.3: Mô tả mô hân tiếp cận môi hàn Tĩnh 3.4: Mô tá vị Irí các đề Robot gắn trên hành tàu Hình 3.5: Đồ thị mỗ hình hỏa mỗi hàn Hinh 3.6: Mô tả tam diện mỗi han Hinh 3.7: Bé ti khâu đề lên thánh tâu.8: Đỗ thị mồ tả qui luật chuyển động các khâu Hinh 3.9: Màn hình giao điện chương trính tính toán Maple Hình 3.10: Mô hình 3D khân đề Linh 3.11: Mô hình 3D khâu 1 Linh 3.12: Mã hình 3D khâu 2 Tĩnh 3.

13 Mô hình 3f? khâu 3 Hình 3.14 Mô hình 3f? khâu 4 Hinh 3. Mô hình 3D tổng thẻ RoboL Hình 3.16: Chọn hệ trục tọa độ trong Solidwork Hình 3.17: Chức năng chuyển hệ tọa độ trong solidWorks Llinh 3.18: Tùy chọn hiện chỉnh file định dạng *.19 Giao điện mô phỏng robot hản di dong Tuân văn thạc sĩ Khoa học CHẾ Iqo nhậy Trang 7 Tinh todn động học và mã phẳng hoad động rohat han di déng trong ché tao v6 tea tity DANH MỤC CÁC BẰNG Trang Bang 2. Bảng tham số động hoc D-H 45 Bang 3. Toạ độ mỗi hàn P; trên quỹ đạo hàn trong hệ tọa độ OuX¿Y 2ø 60 Bang 3.

Kết quả tỉnh toán qui luật chuyển động các khâu 65 Tuân văn thạc sĩ Khoa học CHẾ Iqo nhậy Trang 5 Tinh todn động học và mã phông hoại động robat lượn di động trong chẾ tạo vỏ tàu thấy. Tính toán các ma trận Denavit-llarrertberg. Thiết lập phương trình động học Robot. Khảo sát các bái toán động học Robot hàn đi động trong chế tạo vỏ tâu _.

Bài toán động học thuận. Bài toán động học ngược. 54 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT HẢN Di DONG TRONG CHE TAO VO TAU THUY 87 3. Tỉnh toán biên đạng đường hàn.

Tinh toán động học Robot hàn đã đông trong chế lạo vỏ lâu thủy 62 3.1, Xée dịnh vị trí của mỏ hản khi biết chuyển động của các khẩu. Xée định quy luật chuyển động của các khôu theo quỹ đạo hàn. Giải thuật tính toán vá lập trình bằng ngôn ngừ Maple. Mô phỏng hoạt động của Robot.

Xây dựng mô hình 3D trong, Solidwork. Các bước cụ thế trong việc mô phỏng Robat 88 3. Câu trúc chương trình mô phỏng hoạt đông. Giao điện mô phỏng 91 3.

Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của Robot hàn di động trong ché L1) n. KÉT LUẬN VÀ ĐẺ XUẤT. nen nh Heeeeeeeeeeooo, ĐỘ TÀI LIỆU THAM KHẢO. 94 Tuân văn thạc sĩ khoa học CHẾ tao may Trang 3 Tinh todn động học và mã phẳng hoad động rohat han di déng trong ché tao v6 tea tity DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ Trang Hình 1.1: Qui tic ban tay phai 14 Hình L2: - Biểu diễn tường công tác của Robot 14 Hình 13: Robot kiểu tọa độ Decart 15 Hinh 1.4: Robot kiểu tọa độ trụ 15 Hình 15: Robot kiểu tọa độ cầu 15 Iình lóc Robot kiéu SCARA 16 Tlinh 1.7: Cac cénh tay Robot han I8 Hình 1§: Nguén han cho han hé quang 19 Hinh 1.9: 8ủnghản 19 Hình 110: Bộ cấp đây hản 19 Hình LII: Khung giữ vật hàn 20 Hình 112: Bộ lâm sạch sủng hản 20 1ũnh 114: Liàn tự động với các phân đoạn thắng nằm ngang 33 Tinh (14: Tiàn mạn ngoài tan 23 Hinh 1.15: Hàn tự động với ray dẫn hưởng 24 Hình 1.16: Cải tự đông vỏ lâu với ray dẫn hướng.

Robot han hé quang 35 Hinh 1. Robot han ty déng, 26 Hình 1.19: Mô phỏng giải pháp của Doclewelder 27 Hình 2.1: Chuyển đổi hệ tọa độ 29 Hình 22: Biển diễn các thông số DH của khớp quay 3L Ilinh 2.3: Mô hình Roabor hản di động trên ray đầm.4: Bế trí Robot hàn đi đông trên man tau 38 Tình 2.5: Cân trúc động học Robol hàn vẻ tàu thủy 39 Hình 26: Các hệ lọa độ qmi chiếu khảo sát 40 Hình2.7: Sơ đỗ đông học của Robot AL Hinh 2.8: Khau dé 42 Tuân văn thạc sĩ Khoa học CHẾ Iqo nhậy Trang 6 Tinh todn động học và mã phông hoại động robat lượn di động trong chẾ tạo vỏ tàu thấy. DANII MUC CAC KY MEU, CAC CIN VIET TAT Số bậc lự do của roboL Sổ khâu của roboL Số bậc tự do của một vật rằn không chịu liên kết trong không gian lảm việc của robet Số bắc tự do của khớp thứ ¡ Tổng số khóp của cơ cầu Số liên kết thửa Số \c tự do thửa Hệ số tỷ lệ Ma trận mề là vị trí và hướng của khâu 7 déi với khẩu ,-7 Ma tran nghich daa cia ma ran “A, Ma trận cosin chỉ hưởng Ma trận chuyển vị Rot(x,0} Ma tran cosin chí hướng có được khi quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ x góc ø Retfy,v) Ma trận cosin chỉ hướng cỏ được khi quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ y góc Roft(Z,6) Ma trận cosin chỉ hướng có được khi quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ zgóo 0 D-Il TDenavit-I larienberg.