Luận văn: Tính toán thiết kế và mô phỏng robot hàn trên dây chuyền hàn thân xe ô tô

Luận văn thạc sĩ trình bày chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và mô phỏng robot hàn chuyên dụng trên dây chuyền hàn thân xe ô tô tự động.

• Tác giả: Đỗ Anh Tuần
• Người hướng dẫn: TS. Phan Bùi Khiêm
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ
• Đề tài: Tính Toán, Thiết Kế Và Mô Phỏng Robot Hàn Dây Chuyền Ô Tô Tự Động
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tự động hoá và công nghệ hàn trong sản xuất ô tô

Tự động hoá quá trình sản xuất là yếu tố then chốt để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất lao động trong ngành công nghiệp ô tô. Công nghệ hàn dây chuyền đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất, giúp giải phóng sức lao động con người và tăng độ chính xác của sản phẩm. Robot hàn công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trên các dây chuyền sản xuất tự động, từ hàn thân xe đến hàn các bộ phận phụ trợ. Việc lựa chọn công nghệ hàn phù hợp giúp giảm chi phí sản xuất, nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm và đảm bảo chất lượng đồng nhất.

1.1. Khái niệm và phân loại hàn

Hàn điểm là phương pháp hàn chủ yếu trong sản xuất ô tô, sử dụng điện trở để tạo nhiệt lần điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại. Phương pháp này có độ chính xác cao, tốc độ nhanh và không cần vật liệu hàn bổ sung. Hàn được phân loại theo nguyên lý và công nghệ: hàn tig, hàn mig/mag, hàn điểm điện trở. Các loại hàn này được lựa chọn tùy theo đặc tính vật liệu và yêu cầu kỹ thuật của từng bộ phận trên xe ô tô.

1.2. Ứng dụng công nghệ hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô

Công nghệ hàn được ứng dụng toàn diện trên dây chuyền sản xuất ô tô hiện đại. Robot hàn dây chuyền thực hiện việc hàn thân xe, các khung gầm, và các bộ phận khác với độ chính xác cao. Hệ thống dây chuyền hàn tự động sử dụng nhiều robot có khả năng lập trình, cho phép linh hoạt chuyển đổi giữa các mẫu sản phẩm khác nhau. Điều này giúp tăng năng suất, giảm lỗi sản phẩm và cải thiện điều kiện làm việc của công nhân.

II. Robot công nghiệp và cấu trúc cơ học

Robot công nghiệp được thiết kế với cấu trúc phức tạp để thực hiện các tác vụ hàn chính xác trên dây chuyền ô tô. Một robot hàn điểm thông thường có 6 bậc tự do (DOF), cho phép chuyển động linh hoạt theo 3 trục tuyến tính (X, Y, Z) và 3 trục quay (Roll, Pitch, Yaw). Cấu trúc cơ học bao gồm các khâu (links), các khớp (joints), và bộ truyền động để chuyển chuyển động từ motor sang các khâu. Thiết kế cấu trúc robot cần xem xét độ chính xác vị trí (positioning accuracy), tải trọng (payload), và vùng làm việc (workspace) phù hợp với yêu cầu công nghiệp.

2.1. Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp

Robot công nghiệp được phân loại theo kiến trúc: robot hình cánh tay (articulated arm), robot cartesian, robot scara. Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng. Cánh tay robot hàn có cấu trúc khớp quay liên tiếp, cung cấp vùng làm việc rộng và linh hoạt cao. Các khâu được kết nối bằng các khớp quay, trong đó các motor điều khiển chuyển động của từng khâu. Hệ thống điều khiển và bộ truyền động là những thành phần quan trọng đảm bảo độ chính xác và tốc độ hoạt động.

2.2. Bậc tự do và vùng làm việc của robot

Bậc tự do (DOF) xác định số lượng chuyển động độc lập mà robot có thể thực hiện. Robot hàn thường có 6 DOF, cho phép định vị và định hướng điểm hàn theo bất kỳ hướng nào trong không gian 3D. Vùng làm việc (workspace) là không gian mà đầu công cụ của robot có thể tiếp cận. Kích thước vùng làm việc phụ thuộc vào chiều dài các khâu và góc chuyển động của các khớp. Việc tính toán chính xác DOF và workspace là yếu tố quan trọng trong thiết kế robot hàn để đảm bảo khả năng tiếp cận tất cả các điểm hàn trên thân xe.

III. Thiết kế và mô phỏng robot hàn bằng phần mềm CATIA

Phần mềm CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) là công cụ mạnh mẽ để thiết kế 3D robot và dây chuyền hàn. CATIA cung cấp các module chuyên biệt: Sketcher (vẽ 2D), Part Design (thiết kế chi tiết), Assembly Design (thiết kế lắp ráp), và Generative Shape Design (thiết kế mặt). Quá trình thiết kế bao gồm: xây dựng mô hình từng khâu robot, định vị các khớp, lắp ráp toàn bộ hệ thống, và mô phỏng chuyển động. Mô hình robot 3D giúp xác minh tính khả thi của thiết kế, kiểm tra xung đột (collision detection), và tối ưu hoá khoảng cách giữa robot và môi trường làm việc.

3.1. Giới thiệu phần mềm CATIA

CATIA là phần mềm CAD/CAM/CAE hàng đầu cho thiết kế sản phẩm và mô phỏng công nghiệp. Giao diện trực quan và các công cụ mạnh mẽ cho phép người dùng tạo mô hình 3D phức tạp với độ chính xác cao. CATIA hỗ trợ thiết kế robot thông qua việc tạo khâu robot, xác định các điểm khớp, và thiết lập mối quan hệ hình học. Các tính năng mô phỏng kinematic cho phép kiểm tra chuyển động robot trước khi sản xuất thực tế.

3.2. Quy trình thiết kế sơ bộ robot hàn và dây chuyền

Quy trình thiết kế bắt đầu với việc xây dựng mô hình khâu robot từng phần một. Mỗi khâu được thiết kế với hình dạng, kích thước, và khối lượng thích hợp. Sau đó, các khâu được lắp ráp trong Assembly Design, nơi xác định vị trí và định hướng của từng khâu. Mô phỏng dây chuyền hàn bao gồm robot, bàn công việc, vật cần hàn, và các thiết bị phụ trợ. Kiểm tra độ chính xác và tối ưu hoá vị trí robot giúp đảm bảo hiệu quả sản xuất.

IV. Tính toán động học và động lực học robot hàn

Động học robot nghiên cứu chuyển động của robot mà không xem xét lực tác dụng. Bài toán động học thuận tính toán vị trí và hướng của đầu robot (end-effector) dựa trên các góc khớp. Bài toán động học ngược xác định các góc khớp cần thiết để đạt đến vị trí mục tiêu. Phần mềm Maple được sử dụng để giải các phương trình động học phức tạp thông qua ký hiệu toán học. Động lực học robot tính toán các lực và mô-men tác dụng lên robot, giúp thiết kế bộ motor và hệ thống truyền động phù hợp. Mô phỏng MSC ADAMS cho phép phân tích động lực toàn diện và tối ưu hoá hiệu suất robot.

4.1. Tính toán bài toán động học robot hàn

Bài toán động học robot 6 DOF được giải bằng phương pháp ma trận biến đổi thuần nhất (Denavit-Hartenberg). Mỗi khâu được gắn một hệ toạ độ, và ma trận biến đổi mô tả mối quan hệ giữa các hệ toạ độ liên tiếp. Phần mềm Maple lập trình để tính toán tự động các ma trận biến đổi và quỹ đạo chuyển động. Kết quả cho phép kiểm tra khả năng tiếp cận các điểm hàn và lập kế hoạch đường đi cho robot.

4.2. Tính toán động lực học và lựa chọn bộ truyền

Phân tích động lực học xác định mô-men cần thiết tại các khớp robot để thực hiện chuyển động mong muốn. Bộ truyền robot (harmonic drive, cycloidal gear) chuyển đổi tốc độ và mô-men từ motor sang các khâu. Lựa chọn bộ truyền phù hợp giúp tăng độ chính xác, giảm sai lệch định vị, và đảm bảo hiệu suất cao. Mô phỏng động lực bằng phần mềm MSC DYNAMIC DESIGNER cho phép kiểm tra mô-men motor, phân tích lực tác dụng, và tối ưu hoá thiết kế bộ truyền.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tự động hoá quá trình sẵn xuất nhằm giải phóng sức lao động của con người, mông gao chất lượng sẵn phẩm, nồng cao hiệu suất, làm giảm giả thành sẵn phẩm và tăng lính cạnh tranh cho sản phẩm. Chảt lượng sẵn phẩm và tỉnh cạnh tranh của nó là những yếu tế rất quan trọng đẻ làm nên thành công của. doanh nghiệp nói riêng và của nẻn kinh tế của một quốc gia nói chung Ngày nay, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật sông nghệ cao như tin học, công nghệ thông, tín, điều khiển lự động, robot công nghiệp. để làn cho việc tự động hoá quá trình sim xuất.

ngày cảng phát triển, công nghệ sẵn xual chuyển sang thời kỳ mới: thời kỳ "công nghệ sản xuất tiên tién’” (Advanced Mamufacturing Technology) ma trong 46 robot céng nghiép đóng vai trò quan trọng trong quá trình tự động hoá sản xuất. Do vậy, việc nghiền cửa ứng dụng robot vào. sân xuất tự động được quam lâm nghiên gửu rộng rãi Trong thực tế sản xuất có rải nhiều những gắn phẩm hàn đòi hỏi sẵn lượng nhiều, dộ chính xác cao, chất lượng môi hàn dòng đều và tốt mà néu han bằng tay thì không thể dáp ứng được. Ví dụ như trong lĩnh vực hàn của ngành công.

nghiệp ô tỏ, xe máy, đóng tàu,. Qua tìm hiểu thực tế thì ở nước ta hiện nay có rất nhiều nhá máy sản xuất ô tô như ông ty TOYOTA Việt Nam, Công ty HONDA Việt Naun, Công ty Ford Việt Nam, Công ty Daeweo Bus Việt Nam, Vimaxuki,. và đa số các nhà máy dòng tàu thì hằu hết các mỗi hàn dược thực hiện bằng phương pháp hàn thú công, người cổng nhân điều khiến thiết bị hàn và thục hiện hàn bằng tay. Do vậy, chất lượng môi hàn, độ đồng đều kém, thời gian hàn lâu, hơn nữa, đo thao tác hàn lặp đi lặp lại nên để gây ra luện Lượng một môi và nhàm chân của người công nhận.

Với sự phái triển của khoa bọc kỹ thuật cho phép ta triển khai các ứng dụng của robot công nghiệp LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em luôn nhận được sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân và sự dạy bão của gác thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hả nội Tân xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bach khoa Hà nội đã lận tình dạy bảo em trong suốt khoá học. Em muốn đặc biệt căm ơn thấy giáo TS. Phan Bủi Khôi đã hướng dẫn vả giúp đỡ em hoàn. thành luận văn tắt nghiệp.

Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bàn bè và đẳng nghiệp đã động viên, hỗ trợ và giúp đỡ em trong suốt khoá học LỜI CAM ĐOAN Tôi xm cam đoan đây là luận văn đo tôi hoàn thành Các sô liệu và kết qua néu trong luận vấn là trung thực và chưa từng được công bỏ lrong bat ky công tink nào khá TAC GIA LUAN VAN 'ĐÃ Anh Tuần t2 MỤC LỤC LOLCAM DOAN MUC LUC DANH MỤC CÁC HÌNH ÁNH, ĐỒ THỊ LOT CAM ON MỞ DẤU. Chương 1 TONG QUAN. 11 TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SÀN XUẤT 12 BÀN VÀ CÔNG NGHỆ HÀN. - 121 Khải niệm han 12.

1243 Ứng dụng công nghề hàn trong 1.3 ROBOT CÔNG NGHIỆP. Cấu núc và phân loại robot dông nghiệp 1.2 Bậc tự do củarobot.3 Ưn nhược điểm và phạm vi tng dụng 1.4 Một số hình ảnh vẻ robot và ứng dụng của nó. 1⁄4 THIẾT KỦSƠ BỘROBOTHÀN. Đối tương hàn và quả trình hàn, 1.

La chợn câu trúc robot bản điểm 1. Gidi thiéu phan mam thidt ké CATIA. Thiết kế sơ bộ robot hàn điểm và say chuyển hàn bine phân aiém CATIA. s entsn enstace one nts e son ne w.

DONG HOC ROBOT HAN DIEM 42 21 THAO TÁC CÔNG NGIH? VÀ MÔ HỈNH HÓA DIỄM HÀX .2 XÂY DỰNG CÁC HỆ TOẠ ĐỘ CUA CAC KHAU CHO ROBOT 4 23. TOẠ ĐỘ THƯẢN NHẬT VÀ MA TRẤN BIÊẾN BOI THUAN NHẤT. 24 DONG HOCROBOT HAN 2.1 Bài toán động học thuận cúa robot.2 Bài toán động học ngược của robot 25 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC BẰNG PHN MÊM MAPLE 9.1 Giới thiệu phẩnmẻm Miaple 2.2 Lap trinh và kết quả giải bài toán động học về vị tí Chương 3 ĐỘNG LUC HOC VÀ MÔ PHÒNG ROBOT HAN ĐIỂM. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỎ THỊ Hinh 1.1: Hệ thông robot hin thân xe â tổ tự động, 10 Hình 1.2: Nguyên lý hàn điểm 13 Hình 1.3: Các thành phén chỉnh của hệ thông robot 1 Hình 1.4: Cảnh tay robot 6 bậc tự do Hình 1.5: Robot hàn điểm.6: Robot phay sản phẩm.7: Robot cắt laze 22 Hinh 1.8: Robot trên day chuyển han thân xe 6 tô 33 Hình 1.9: Robot cấp dỡ phôi Hình 1.10: Robot gắp chỉ tiết cho may dap cho my ép nhựa .11: Kich thước cơ bản của thân xe ö tỏ.13: Cấu trúc của robot hàn 35 Hinh 1.13: Các modul cúa phản mềm.14: Giao diện người dùng của CATTA.15; Modul Mecbanical Desien.16: Giao diện nhánh Skeicher .17: Cách đăng nhập vào nhành Part Desien.18: Giao điện nhánh Part Design - 32 Hinh 1.19; Giao dign nhanh Assembly Design.20: Môi lên kết giữa các nhành khi thiết kế sảnphẩm trong “CATIA 34 Hình 1.21: Giao diện các thanh Toolbars rong nhánh Gonorative# Draft.22: Mồ hình khâu °0”.23: Mô hình khâu 1.24: Mồ hình khâu 2 Hình 1.25: Mô kính khảu 3.26: Mồ hành khâu 4.

Hmh 1 27: Mô hình khâu 3 Hinh 1.28: Mê hình khâu 6. Hìmh 1 29: Mô hình robot han.30: Kích thước cơ bản của robot hàn.31: Bé tri robot han trong cy chuyên ch hân thân xe ô tô Hình 2.1: Toạ độ điểm hn.2: Súng hân kiểu chữ X Hình 2.3: Toạ độ điểm hản và đầu bản.4: Chiều đài và góc xoắn của một khâu Hình 2.5: Các thông số của khâu: q, d, ø và œ. Tĩnh 26: TIệ toạ độ gắn trên các khâu của robot Hinh 3.7: Cơ hệ robot hàn và thân xe ô tổ Tĩnh 28: Giao diện chương trình tính toán động học THỉmh 3.9: Quỹ đạo khâu ] 3.1 GIỚI TIHHÿU PHẢN MÈM MSC.DYNAMIC DESIGNER MOTION 3. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN BẰNG PHÂK MEM DDM.

TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN VÀ THIẾT KA ROBOT 41 THIẾT BỊ TRUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIEP.1 Độ truyển bánh rằng sóng (The Harmonie Drive).2 Bộ truyền bánh răng con lăn - Cycloid hành tỉnh 4.3 Truyén động vít đai ác bị. Truyền động An khi.5 Dộng cơ dẫn - 42 THIẾTKÉKÉẾT CẤU ROBOT HAN.1 Tinh chon bé truyén, 42.2 Tinh chon 6d, 6 ch 42.3 Thiết kế kết cấu. 424 Tinh bổn KẾT LUẬN TÀI IIÊU THAM KHẢO. LỜI CAM ĐOAN Tôi xm cam đoan đây là luận văn đo tôi hoàn thành Các sô liệu và kết qua néu trong luận vấn là trung thực và chưa từng được công bỏ lrong bat ky công tink nào khá TAC GIA LUAN VAN 'ĐÃ Anh Tuần LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em luôn nhận được sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân và sự dạy bão của gác thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hả nội Tân xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bach khoa Hà nội đã lận tình dạy bảo em trong suốt khoá học.

Em muốn đặc biệt căm ơn thấy giáo TS. Phan Bủi Khôi đã hướng dẫn vả giúp đỡ em hoàn. thành luận văn tắt nghiệp. Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bàn bè và đẳng nghiệp đã động viên, hỗ trợ và giúp đỡ em trong suốt khoá học DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỎ THỊ Hinh 1.1: Hệ thông robot hin thân xe â tổ tự động, 10 Hình 1.2: Nguyên lý hàn điểm 13 Hình 1.3: Các thành phén chỉnh của hệ thông robot 1 Hình 1.4: Cảnh tay robot 6 bậc tự do Hình 1.5: Robot hàn điểm.6: Robot phay sản phẩm.7: Robot cắt laze 22 Hinh 1.8: Robot trên day chuyển han thân xe 6 tô 33 Hình 1.9: Robot cấp dỡ phôi Hình 1.10: Robot gắp chỉ tiết cho may dap cho my ép nhựa .11: Kich thước cơ bản của thân xe ö tỏ.13: Cấu trúc của robot hàn 35 Hinh 1.13: Các modul cúa phản mềm.14: Giao diện người dùng của CATTA.15; Modul Mecbanical Desien.16: Giao diện nhánh Skeicher .17: Cách đăng nhập vào nhành Part Desien.18: Giao điện nhánh Part Design - 32 Hinh 1.19; Giao dign nhanh Assembly Design.20: Môi lên kết giữa các nhành khi thiết kế sảnphẩm trong “CATIA 34 Hình 1.21: Giao diện các thanh Toolbars rong nhánh Gonorative# Draft.22: Mồ hình khâu °0”.23: Mô hình khâu 1.24: Mồ hình khâu 2 Hình 1.25: Mô kính khảu 3.26: Mồ hành khâu 4.

Hmh 1 27: Mô hình khâu 3 Hinh 1.28: Mê hình khâu 6. Hìmh 1 29: Mô hình robot han.30: Kích thước cơ bản của robot hàn.31: Bé tri robot han trong cy chuyên ch hân thân xe ô tô Hình 2.1: Toạ độ điểm hn.2: Súng hân kiểu chữ X Hình 2.3: Toạ độ điểm hản và đầu bản.4: Chiều đài và góc xoắn của một khâu Hình 2.5: Các thông số của khâu: q, d, ø và œ. Tĩnh 26: TIệ toạ độ gắn trên các khâu của robot Hinh 3.7: Cơ hệ robot hàn và thân xe ô tổ Tĩnh 28: Giao diện chương trình tính toán động học THỉmh 3.9: Quỹ đạo khâu ] Tĩnh 2.10 Quỷ đạo khâu 2. Su OF Hình 2.11: Quỹ đạo khâu 3 - - 8B Hinh 2.12: Qu¥ dao khau 4.13: Quỹ đạo khâu 5 64 Hình 2.14: Quỹ đạo khâu 6.- Hình 215: Quỹ đao chuyển động của đầumồ hàn 65 Hình 3.1: Giao diễn làm việc và thanh trình duyệt cta DDM trong Inventor 67 Hinh 3.2: Quy tinh sit dung DDM 69 Hình 3.3: Giá trị mô mem trên khớp l.4: Giá trị mó mem trên khép 2.5: Giá trị nô nuent trên khởp 3.6: Giá trị mồ mem trên khớp 4.7: Giá trị mô taem trên khớp 5 73 [inh 3.8: Gid tri mô mem trên khớp 6.1 Cầu tạo bộ truyền bánh răng sống 75 Tĩnh 4.2: Câu hình dan động vả tỉ số tuyên tương ứng của bộ truyền bảnh Tăng sống.3: Bổ trì bộ truyền banh réng song trong ofnh tay robot SCARA.4: So dé hdp giảm Lắc bảnh răng cycloid hab tink - 83 Hình 4.5: So dé tao hinh am khép banh ring eycloid.6: Bộ truyền bánh răng con lãn-epicycloil - 85 Hinh 4.7: B6 truyén banh ring con lin hypocycloid.8: Sơ đồ kết cáu bộ truyền vít bí đai ốc.10: Dang co servo va driver ‘digu khiển 93 Hinh 4.11: Đỗ thị tai trọng.

pen OF Ilimh 1.12: So dé tinh lye ; - 98 Hình 4.13: Giao diện tính chọn và kết quá tính chọn ke 100 Tĩmh 4.14: Giao diện tỉnh chọn và kết quả tính chọn ô chặn.15 Kết cau khép 1.16 Giao điện nhành Generativi € Structural Analysis 104 Hình 4.17 Khai báo tải trọng và liên kết cho khâu 0 se .18 Giá trị từng suat.