Tính toán động họ robot hàn ắt tự động gia ông đường ống dẫn dầu khí

Kinh nghiệp cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công việc hàn nếu thông số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn được điều khiển bằng một chương trình thống nhất, đồng thời nếu được

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- CHU MẠNH VINH

TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN CẮT TỰ ĐỘNG -

GIA CÔNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ

Chuyên ngành : CÔNG NGH Ệ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS PHAN BÙI KHÔI

Hà Nội – 2010

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Độc Lập Tự Do Hạnh Phúc– –

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là: Chu Mạnh Vinh

Nơi công tác: K hoa Cơ khí Trường cao đẳng nghề Cơ khí nông nghiệp

Tên đề tài: Tính toán động học robot hàn cắt tự động gia công đường ống dẫn - dầu, khí

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Tôi xin cam đoan, đây là luận văn của riêng tôi Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào

Hà Nội , ngày 25 tháng 10 năm 2010

Người viết

CHU MẠNH VINH

MỤC LỤC Trang

1.4.2 Lắp đặt đường ống dẫn dầu khí ở Việt Nam 40 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 42 HÀN – CẮT TỰ ĐỘNG GIA CÔNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ

2.1 Cấu trúc động học, bậc tự do của robot h n di độngà 42

2.2 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot 45 2.2.1 Các tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi thuần nhất 45 2.2.2 Các ma trận quay cơ bản thuần nhất và ma trận tịnh tiến thuần

2.3.4 Thiết lập hệ phương trình động học của robot 59 Chương 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN – CẮT 62

TỰ ĐỘNG GIA CÔNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ

3.1 Tính toán biên dạng của mép cắt, biên dạng đường hàn 62 3.1.1 Mô hình toán học đối tượng gia công 62 3.1.2 Tính toán biên dạng của mép cắt, biên dạng đường hàn 64

3.2.1 Xác định tọa độ các điểm hàn trên mối hàn 68

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Trang

ISO International Organization for Standardization 12

λ là s ố bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không

gian làm việc của robot

Tịnh tiến dọc trục tọa độ x một đoạn là , theo trục tọa độ a y một

đoạn là b, theo trục tọa độ một đoạn là z c

n A Ma trận xác định vị trí của hệ tọa độ gắn với khâu thao tác tại

điểm tác động cuối trong hệ tọa độ khâu cuối n

56

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.2: Một số loại robot công nghiệp điển hình và các ứng dụng 16

Hình 2.3: Mô tả ma trận định hướng trên hệ tọa độ 45

Hình 2.4: Các góc quay Roll-Pitch và Yaw của Robot 47

Hình 2.9: Hệ tọa độ khâu 4 56 Hình 3.1: Mô tả đường hàn trong không gian ba chiều 52 Hình 3.2: Thiết lập điểm keypoint bằng lệnh Divide 64 Hình 3.3: Quan hệ chuyển trục giữa hai hệ quy chiếu 66

Hình 3.8: Khoảng cách giữa hệ tọa độ cơ sỏ và hệ tọa đọ vật 82

MỞ ĐẦU

Việc nghiên cứu v ứng dụng robot v o sản xuất công nghiệp đà à ã và đang được tri n khai ngà àng nhi u ể y c ề ở nước ta nh m phằ ục vụ ự s nghi p ệ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Về mặt kỹ thuật, robot là một sản phẩm tiêu biểu của khoa học công nghệ Cơ điện tử, là sự tích hợp của đa ngành, đa lĩnh vực khoa học công nghệ như: Cơ khí tự động hóa, Điện Điện tử, công nghệ thông tin,… Về kết cấu cơ khí, - robot là thiết bị linh hoạt có kết cấu gọn nhẹ, dễ chế tạo, lắp ráp so với các thiết bị khác Khả năng linh hoạt cao trong việc lựa chọn và thay đổi cấu trúc theo yêu cầu thao tác công nghệ và ứng dụng

Về hệ thống dẫn động, robot được trang bị các hệ thống dẫn động có khả năng linh hoạt trong việc điều khiển chuyển động của robot Các động cơ dẫn động có thể được chế tạo, tích hợp cùng bộ điều khiển của nó Nhờ vậy có khả năng kết nối với

hệ thống điều khiển dễ dàng và thuận lợi trong việc lập trình điều khiển

Nhờ có nhiều ưu điểm và tính năng vượt trội, robot được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng rộng rãi và trở nên phổ biến ở các nước phát triển Nghiên cứu để có thể nắm bắt các thành tựu của thế giới trong việc triển khai ứng dụng robot là một yêu cầu tất yếu đối với các nhà khoa học, các chuyên gia kỹ thuật nước ta Đặc biệt do việc nhập các sản phẩm rất đắt cũng như khả năng làm chủ các ứng dụng khai thác

từ các sản phẩm nhập khẩu bị hạn chế, việc nghiên cứu để có thể tự chế tạo robot là một yêu cầu có tính thời sự đối với các nhà chuyên môn, các chuyên gia kỹ thuật nước ta

Từ lâu các sản phẩm dầu khí của Việt Nam khai thác từ các giàn khoan trên biển như Bạch Hổ, Đại Hùng, Nam Côn Sơn, nhà máy lọc dầu Dung Quất…được vận chuyển bằng đường ống Các kỹ thuật hiện sử dụng hầu hết do người Nga chuyển giao và giúp đỡ, một phần cũng do nước ngoài chuyển giao Ngày nay năng lượng

là vấn đề sống còn của bất kỳ quốc gia nào, trong khi chưa tìm ra nguồn năng lượng

vẫn là năng lượng quan trọng nhất với bất kỳ quốc gia nào, việc người Việt Nam

sớm tự chủ trong công nghệ và kỹ thuật khai thác dầu là vấn đề chiến lược quan

trọng

Trong vận tải đường ống, các ống cỡ lớn thường sử dụng robot tự hành dẫn

hướng bằng ray, đây là robot chuyên dụng cho hàn ống với khả năng tự hành giới

hạn Hiện nay ở Việt Nam robot loại này có ứng dụng tại Petrolimex, tuy nhiên

chưa có nhà cung cấp chính thức tại Việt Nam

Nhằm nghiên cứu ứng dụng robot hàn đường ống vào thực tế nói trên, tác giả

luận văn lựa chọn đề tài: “tính toán động học robot hàn cắt tự động gia công-

đường ống dẫn dầ u, khí”

Luận văn này tập trung phân tích các yêu cầu về kỹ thuật đặt ra với robot hàn ống

cỡ lớn, tổng hợp cấu trúc của robot, phân tích động học thuận và động học ngược

của robot nói trên, xây dựng quy luật chuyển động, mô phỏng thử nghiệm robot trên

phần mềm, xây dựng các phần mềm hỗ trợ cần thiết khác

Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:

• Chương 1 Giới thiệu về robot

• Chương 2 Cơ sở lý thuyết tính toán động học robot hàn - cắt tự động gia công

đường ống dẫn dầu, khí

• Chương 3 Tính toán động học và mô phỏng động học robot hàn

Người viết

Chu Mạnh Vinh

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Giới thiệu về robot

a Tổng quan về robot

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất Xu hướng tạo ra các dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang 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 luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng v.v

Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Theo ISO thì “robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự

do, dễ dàng lập trình điều khiển trợ động dùng để tháo lắp phôi dụng cụ, hoặc các vật dụng khác Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm

Như vậy robot cần được xem như một tế bào của hệ thống sản xuất linh hoạt, hoạt động của nó cần phối hợp đồng bộ với các phần tử khác trong hệ thống

Bản thân robot được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, song

vì nó là thiết bị cơ điện tử có giá thành khá cao, việc ứng dụng thường chỉ phổ biến trong các lĩnh vực có doanh thu lớn, có thiết bị công nghệ cao hoạt động theo dây chuyền, như vậy chỉ hạn chế trong các ngành công nghiệp có lợi nhuận cao Thực tế phần lớn robot được ứng dụng trong công nghiệp như công nghiệp xe hơi, đóng tàu, chế tạo máy bay hay phục vụ máy công tác và hệ thống tự động linh hoạt Do đó khi nói đến robot người ta thường liên tưởng ngay đến robot công nghiệp

Trước khi bước vào nghiên cứu các nội dung này chúng ta cũng cần thống nhất về thuật ngữ “robot công nghiệp” (Industrial robot) Trong nhiều tài liệu khác nhau, định nghĩa về robot cũng khác nhau Khi robot công nghiệp đầu tiên ra đời, Công ty AMS đã quảng cáo nó là một loại máy tự động vạn năng Trong từ điển Webster định nghĩa robot là những máy tự động có thể thực hiện được một số chức năng của con người Nhưng nếu vậy thì có nhiều loại máy khác nhau cũng có thể gọi là robot Viện kỹ thuật robot của Hoa Kì định nghĩa robot là loại tay máy nhiều chức năng , với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực hiện một số thao tác sản xuất Có nhiều tài liệu khi định nghĩa robot rất lưu ý đến tiêu chí điều khiển bằng máy tính Nhưng trong phân loại robot công nghiệp theo tiêu chuẩn của Nhật Bản (JIB 0134 - 1979) có cả nhóm tay máy điều khiển bằng tay

Robot công nghiệp (Industrial robot) có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người Nói đến thiết bị tự động linh hoạt là nhấn mạnh đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự

do, được điều khiển trở động và lập trình thay đổi được Còn nói đến sự bắt chước các chức năng lao động công nghiệp của con người là có ý nói đến sự không hạn chế từ các choc năng lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tuỳ theo loại hình công việc lao động cần đến chức năng đó hay không Đồng thời cũng nói đến mức độ cần thiết bắt chước được như con người hay không

b Phân loại

Robot công nghiệp nói chung gồm hai loại xét trên quan điểm khả năng di động

là robot car và robot Arm Trong đó robot car là một robot có khả năng tự tìm được đường đi trong môi trường có cấu trúc vật lý bất định, không gian làm việc của nó không bị giới hạn Robot arm chỉ là một tay máy có giá cố định, vùng làm việc của

nó chỉ là một không gian hạn chế có hình dáng và thể tích xác định xung quanh điểm đặt Đây là loại robot công nghiệp phổ biến nhất trên thực tế, mục phân loại dưới đây thực hiện phân loại cho kiểu robot có cấu trúc xích động học hở trên tiêu chí hình dạng vùng làm việc

Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn:

Chuyển động tịnh tiến theo các hướng x,y,z trong không gian ba chiều thông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh gọi là Prismatic, ký hiệu là p

Chuyển động quay xung quanh các trục x, y, z gọi là rotation, ký hiệu R Với ba bậc tự do robot sẽ hoạt động trong các trường công tác với các hình khối tùy thuộc

Khi phân loại theo phương pháp điều khiển, có hai hình thức cơ bản:

- Điều khiển điểm (point to point);

- Điều khiển quỹ đạo liên tục (continuos path control)

Cách phân loại này dựa vào tính chất đặc trưng của quỹ đạo điều khiển

Khi phân loại theo hệ thống năng lượng có:

- Dẫn động bằng động cơ điện

- Dẫn động bằng động cơ thủy lực hoặc khí nén

Khi phân loại theo hệ thống truyền động có:

- Truyền động trực tiếp không qua truyền dẫn trung gian

- Truyền động gián tiếp qua các cơ cấu trung gian

Khi phân loại theo độ chính xác thường dựa trên ba thông số là:

Các tiến bộ không ngừng trong lĩnh vực cơ điện tử cho phép robot có thao tác linh hoạt hơn, giao tiếp thân thiện hơn, cho phép thực hiện các ứng dụng tinh vi như phẫu thuật, trợ giúp y khoa, lấy mẫu…

Một trong các lĩnh vực ứng dụng nhiều robot đó là kỹ nghệ đúc Thường trong phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng bức, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác Việc tự động hoá toàn phần quá trình đúc bằng các dây truyền tự động thông thường với các máy tự động chuyên dụng đòi hỏi phải có thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn Ngày nay ở những nước phát triển trên thế giới robot được dùng rộng rãi

để tự động hoá công nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để phục vụ các máy đúc áp lực Robot có thể làm nhiều việc như rot kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc ra khỏi khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát v.v Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm Ví dụ, đảm bảo chế độ làm việc; chuẩn hoá về hời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện thao

Hình 1.2: Một số loại robot công nghiệp điển hình và các ứng dụng

Trong ngành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn đập nên đòi hỏi sớp áp dụng robot công nghiệp Trong phân xưởng rèn robot có thể thực hiện nhiều việc, ví dụ như đưa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn, chuyển lật phôi trong khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thing v.v Sử dụng các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đưa năng suất tăng 1,5 2 lần và hoàn toàn giảm ÷nhẹ lao động của công nhân So với các phương tiện cơ giới và tự động khác phục

vụ các máy rèn dập thì robot có ưu điểm nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn

Robot được dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp ráp Thường thường người ta

sử dụng robot chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động v.v

Trong ngành chế tạo máy và dụng cụ đo chi phí về lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm Trong lúc đó mức độ cơ khí hoá lắp ráp không quá 10 ÷ 15% đối với sản phẩm hàng loạt Bởi vậy việc tạo ra và sử dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng

Phân tích quá trình lắp ráp chúng ta thấy rằng con người khi gá đặt chi tiết để lắp chúng với nhau thì có thể làm nhanh hơn các thiết bị tự động, nhưng khi thực hiện các động tác khác trong quá trình ghép chặt chúng thì chậm hơn Bởi vậy yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề quan trọng cần quan tâm nhất khi thiết

kế các loại robot lắp ráp Ngoài ra yêu cầu hiện nay đối với các loại robot lắp ráp là nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích hợp với sản xuất loạt nhỏ

Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật robot công nghiệp

Khi sử dụng robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn chạy theo

đường cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điểu chỉnh được phương và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hàn Nhiệm vụ đó cần được xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có liên hệ phản hồi Kinh nghiệp cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công việc hàn nếu thông số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn được điều khiển bằng một chương trình thống nhất, đồng thời nếu được trang bị các bộ phận cảm biến, kiểm tra và hiệu chỉnh Ngoài ra robot hàn còn phát huy tác dụng lớn khi hàn trong những môi trường đặc biệt

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

1.2 Công nghệ hàn hồ quang

Hàn là phương pháp rẻ 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 dùng lực tác dụng và kim loại điền đầy Có nhiều quá trình hàn khác nhau, sử dụng nhiều loại nguồn nhiệt khác nhau Hai phương pháp hàn chính là hàn hồ quang và hàn điểm(hàn đối kháng)

Hàn được coi là khâu phức tạp nhất trong các quá trình chế tạo Để tự động hóa quá trình hàn, cần phải hiểu những nguyên lý khoa học đằng sau nó

* Hàn hồ quang

Hàn hồ quang là phương pháp nối hai miếng kim loại bằng cách làm nóng chảy chúng hoặc một dây kim loại trung gian, nhiệt sinh ra từ một hồ quang điện giữa các vật hàn và đầu que hàn Qúa trình hàn có thể cần hoặc không cần kim loại điền đầy Điện cực có thể là dây kim loại tự tiêu hoặc que các bon hay que tăng- -xtan không

tự tiêu Khi dùng điện cực không tự tiêu, kim loại điền đầy có thể lấy từ một dây

kim loại phụ Còn điện cực tự tiêu vừa mang dòng điện hàn, vừa nóng chảy và điền đầy kim loại vào mối hàn

Một trong những vấn đề chính trong quá trình hàn là khi kim loại nóng lên, chúng sẽ tương tác hóa học với không khí Có nhiều phương pháp cách ly vật hàn khỏi không khí xung quanh Nếu dùng khí trơ thì quá trình hàn gọi là hàn hồ quang khí trơ Hàn hồ quang lõi thuốc giống như hàn hồ quang khí trơ, chỉ khác ở điện cực Kỹ thuật hàn này dùng để nối các miếng kim loại dày, như ở các bình cao áp, ống cống, ống gas Hàn hồ quang tăng xtan khí trơ và hàn hồ quang plasma cũng là -những kỹ thuật hàn được dùng phổ biến

* Mạch hàn cơ bản

Hồ quang được tạo ra giữa khe hở khi chạm điện cực vào vật hàn rồi nhấc ra nhưng vẫn giữ tiếp xúc gần Hồ quang sinh ra nhiệt độ khoảng 36000C tại đầu que hàn Nhiệt này làm nóng chảy cả kim loại nền và điện cực, tạo ra một vũng kim loại nóng chảy, nó đông cứng sau khi điện cực di chuyển tới vị trí tiếp theo dọc mối hàn

Hình 1.3: Hàn hồ quang

* Các tham số của quá trình hàn hồ quang khí trơ

Trong các quá trình hàn hồ quang, có một số tham số ảnh hưởng tới kích thước, hình dạng, chất lượng và độ bền của mối hàn

• Độ dày của lớp thuốc

• Độ dài của hồ quang

Kích thước và kiểu điện cực trong hàn hồ quang kim loại có cách ly xác định các yêu cầu về điện áp hồ quang và cường độ dòng điện Dòng điện có thể là một chiều hoặc xoay chiều, nhưng nguồn điện phải có thể thay đổi điện áp, cường độ để phản ứng với các biến phức tạp của chính quá trình hàn Ở cường độ thấp, dòng một chiều hiệu quả hơn nên dùng để hàn các tấm kim loại mỏng Hầu hết các điện cực

có lớp thuốc hoạt động tốt nhất với dương cực (phân cực ngược), cho khả năng xuyên sâu nhất Trong khi đó âm cực lại tạo ra tốc độ nóng chảy cao hơn

* Cường độ dòng điện

Cách xác định cường độ hợp lý cho một điệ n cực nhất định tùy thuộc vào kích thước và kiểu điện cực đó Thậm chí còn phải tính đến kiểu nối và vị trí mối hàn Qúa trình đòi hỏi cường độ dòng điện đủ lớn để làm chảy cả điện cực và một lượng vừa đủ lớp kim loại nền Cường độ càng lớn, thì độ xuyên thấu càng sâu Cường độ

cao có thể dẫn tới các vấn đề như quá nhiều vẩy hàn, quá nhiệt hoặc nứt gãy điện cực

* Điện áp hồ quang

Điện áp hồ quang thay đổi ít hơn so với dòng điện hàn Nó ảnh hưởng tới hình dạng và độ rộng của ngọn lửa hồ quang Điện áp càng cao thì ngọn lửa hồ quang càng rộng và dẹt Phải tránh điện áp quá cao vì nó gây ra nứt gãy Điện áp thấp sinh

ra hồ quang hẹp hơn, xuyên sâu hơn

* Tốc độ di chuyển (v ận tốc hàn)

Tốc độ di chuyển điện cực dọc mối hàn có ảnh hưởng trực tiếp tới hình dạng ngọn lửa hồ quang, độ sâu nóng chảy, tính thẩm mỹ (bề mặt), và sức nóng truyền vào kim loại nền Tốc độ di chuyển nhanh tạo ra đường hàn hẹp hơn nhưng ít sâu hơn Cách này thích hợp để hàn các tấm kim loại Tốc độ di chuyển cũng ảnh hưởng tới sức nóng, do vậy ảnh hưởng tới cấu trúc luyện kim của kim loại Tốc độ làm nguội tăng hay giảm phải tỷ lệ với tốc độ di chuyển Ngoài ra, vùng chịu nhiệt sẽ tăng kích thước trong khi tốc độ nguội giảm Tốc độ di chuyển và làm nguội quá nhanh dẫn tới xu hướng làm xốp vì mối hàn đông cứng nhanh hơn

Sản phẩm phù hợp nhất để ứng dụng robot hàn thường hội tụ các đặc điểm:

- Các sản phẩm gia công trong môi trường nóng, ẩm, độc hại, áp suất cao;

- Các sản phẩm yêu cầu tính thẩm mỹ

Do giá thành nhân công và yêu cầu về tính đồng đều của sản phẩm ngày càng tăng, các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới như ford, Toyota, Honda, Boeng ngày càng ứng dụng nhiều robot trong dây chuyền sản xuất của họ Các sản phẩm

có yêu cầu về thẩm mỹ, các sản phẩm yêu cầu về thủy khí động học bề mặt trong gia công như mui xe hơi, yếm xe máy, các sản phẩm có khuynh hướng thay đổi theo thời trang cần thay đổi mẫu mã thường xuyên là những dạng sản phẩm có yêu cầu ứng dụng robot cao nhất

Cùng với nhu cầu về sử dụng robot hàn ngày càng tăng cao, các tập đoàn lớn sản xuất và cung cấp robot cho thị trường ngày càng nhiều, nổi bật nhất có thể kể đến Panasonic, Kuka, Motoman, Kawaskaki, Fanuc…

Các tiến bộ trong kỹ thuật Cơ điện tử làm cho robot nói chung và robot hàn nói – riêng ngày càng linh hoạt và thân thiện hơn với người sử dụng Nếu như các robot phục vụ lắp ráp đòi hỏi thao tác chính xác để thực hiện các lắp ghép có khe hở nhỏ, các robot tự hành đòi hỏi các thuật toán điều khiển bám, cấu trúc điều khiển của robot hàn thường có tính tùy chọn “mở” cao hơn

Do yêu cầu điều khiển thời gian thực, việc giải bài toán động học ngược online

có thể yêu cầu một cụm điện toán đắt tiền khi ứng dụng điều khiển contour liên tục trên đường hàn

Việc phổ biến robot hàn được đảm bảo trên cơ sở trang bị thêm một cổng RS232 giải quyết các bài toán có độ phức tạp cao để giảm đầu tư ban đầu, một robot nguyên thủy thường chỉ có khả năng nội suy tuyến tính, nội suy cung tròn hoặc tổ hợp đường zichzăc có các phân đoạn thẳng và cung tròn

Trong trường hợp sử dụng lao động trình độ thấp hoặc các nguyên công yêu cầu

độ chính xác không cao, kỹ thuật dạy học teach in cho phép vận hành thiết bị hoàn – hảo

Không giống như các robot vạn năng khác, robot hàn còn có một trục không tính vào bậc tự do dùng cấp dây hàn, hoặc que hàn, trục này đảm bảo khi dây hoặc que hàn nóng chảy điểm quản lí là điểm có tổng tầm với không đổi tính đến giá của cơ cấu

Trong mô đun điều khiển của robot ngoài chức năng đảm bảo nguồn cho các động cơ servo, có một mô đun có chức năng đảm bảo nguồn cho quá trình tạo hồ quang khi hàn Ngoài chức năng này một robot hàn thường không khác biệt nhiều với các robot vạn năng khác

a Ứng dụng của robot hàn:

Điều kiện để ứng dụng robot hàn có hiệu quả là sản phẩm loạt lớn hoặc hàng khối, các sản phẩm thuộc các họ chi tiết tương tự như nhau về mặt hình học, yêu cầu tính đồng đều của sản phẩm cao Hàn bằn robot thường đòi hỏi kèm theo các trang bị công nghệ phụ khác như đồ gá chuyên dùng, đồ gá nhóm tự động khá tốn kém do vậy các lĩnh vực có doanh thu lớn như ô tô, xe máy là thị trường chính của robot hàn

Hình 1.4: Robot hàn

b Phân loại robot hàn:

Theo tính tự động thì các máy hàn tự động cũng có thể xem là một robot do có khả năng tiếp nhận và thực thi chương trình gia công, song các robot hàn thực sự có thể chỉ gồm loại:

- Các robot hàn điểm, loại này được trang bị bộ nội suy đơn giản, điều khiển vị trí, không cần đủ sáu bậc tự do, đặc trưng cho các robot kiểu này là họ scara

Trong hình thức hàn điểm, mỏ hàn được di chuyển tới các điểm có tọa độ định sẵn, dạng điều khiển tương ứng có tên gọi pick and place, ở hình thức này người ta không quan tâm đến quỹ đạo di chuyển của mỏ hàn giữa hai điểm đầu cuối.–

Hình 1.5: Robot hàn điểm

- Các robot hàn đường điều khiển công tua có tính vạn năng cao hơn, được trang bị

bộ nội suy tuyến tính và nội suy cung bậc hai, thông thường cần đủ sáu bậc tự do với robot hàn vạn năng

Trong hình thức hàn đường liên tục có thể gặp các tình huống như quỹ đạo thẳng hoặc dạng cung tròn có khả năng lập trình trực tiếp qua giao diện người – máy trên thiết bị do robot có khả năng nội suy hai quỹ đạo này

Hình 1.6: Robot hàn đường

Khi gặp các quỹ đạo phức tạp như đường Ellip, hypebol, parabol, các đa thức bậc cao hoặc các đường cong dưới dạng giao tuyến của các mặt không gian phức tạp, máy không có khả năng nội suy các dạng quỹ đạo này Lúc này người sử dụng cần căn cứ vào độ chính xác của mối ghép quyết định khả năng dạy học (trường hợp không yêu cầu chính xác cao, đa số mối ghép hàn cho phép dạy học) hoặc giải bài toán bên ngoài và thông qua liên kết ngoại vi từ cổng RS232 truyền file NC code cho máy thực hiện chương trình Nếu thống nhất về ngôn ngữ cổng này cho phép robot hàn hoạt động như một cell độc lập hoàn chỉnh trong đường dây gia công tự động thông qua liên kết CAD/CAM như các tế bào tự động linh hoạt khác của đường dây

Theo phương pháp duy trì điện cực có thể có hai kiểu là robot hàn dây và robot hàn que, thông thường khi lượng đắp lớn sẽ hàn que và ngược lại.

Rôbot hàn ống trong công nghiệp là một dạng robot hàn được ứng dụng rộng rãi, giao tuyến ống thường là các đường cong ghềnh không gian nên nếu sử dụng robot vạn năng thì cần tới sáu bậc tự do trong khi nếu sử dụng robot tự hành với một bậc

tự do di chuyển hành tinh với đường ống có đường kính bé hơn robot hàn ống chỉ cần 3 bậc tự do, robot hàn ống là một kiểu robot chuyên môn hóa, nó đảm nhận hàn ghép ống trong một phạm vi thay đổi nhất định của đường kính ống

Mối ghép hàn các chi tiết dạng ống thường gặp nhất trong các lĩnh vực như vận tải chất lỏng hoặc chất khí áp lực cao, kết cấu khung xe hơi hoặc xe máy, ống dẫn lưu chất áp lực thông thường song có kích thước lớn

Hình 1.7: Một số loại robot hàn ống

1.3.1 Hệ thống hàn hồ quang tự động

Nói chung, thiết bị hàn hồ quang tự động được thiết kế khác hẳn thiết bị hàn tay Hàn hồ quang tự động thường có chu kỳ làm việc cao độ và yêu cầu các thiết bị hàn phải hoạt động dưới những điều kiện khắc nghiệt đó Ngoài ra, mỗi thành phần của

hệ thống còn phải có đủ tính năng và điều khiển để giao tiếp với hệ điều khiển trung tâm

Một hệ thống hàn hồ quang tự động gồm các thành phần điển hình:

• Robot hàn hồ quang

• Nguồn điện (máy hàn)

• Súng hàn: để truyền dòng điện hàn từ cáp hàn tới điện cực Nó phải có cơ

chế cách ly vùng hàn khỏi không khí

• Bộ làm sạch súng hàn: đầu súng hàn gần hồ quang và dần dần dính vẩy hàn, cần phải làm sạch

• Bộ cấp điện cực:để bù lại dây điện cực tự tiêu khi hàn

• Khung hàn và tay hàn giữ và định vị các chi tiết để đảm bảo mối hàn sẽ

được robot thực hiện chính xác

Hình 1.8: Robot hàn hồ quang

• Bộ định tâm: để đảm bảo que hàn và khung hàn biết vị trí của nhau, cần phải liên tục hiệu chỉnh trọng tâm của hệ thống Qúa trình này được thực hiện nhờ một thiết bị định tâm tự động

Robot hàn hồ quang

Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay có quay hoặc tịnh tiến Loại robot trục

Đề các chỉ được dùng cho các robot rất lớn hoặc rất nhỏ Cánh tay robot được sử dụng nhiều do nó cho phép súng hàn chuyển động như cách con người thao tác Góc súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở mọi vị trí, nhất là ở những vị trí khó tiếp cận Cánh tay robot cũng gọn nhẹ nhất và có tầm với lớn nhất Thường các robot hàn có từ 3 ÷ 6 bậc tự do, lập trình được Các cánh tay robot do nhiều nhà cung cấp bán sẵn như ABB, FANUC, PANASONIC, KUKA, MOTOMAN

Hình 1.9: Các cánh tay Robot hàn

Có 3 loại nguồn hàn hồ quang:

• Nguồn công suất không đổi

• Nguồn áp không đổi

• Nguồn dòng không đổi

Súng hàn hồ quang

Súng hàn dùng để đưa điện cực đến mối hàn, truyền dòng điện hàn vào điện cực

và tạo ra lớp cách ly quanh mối hàn Có nhiều kiểu sùng hàn khác nhau, tùy theo quá trình hàn, dòng hàn, kích thước điện cực và chất cách ly

Súng hàn có thể được làm nguội bằng nước luân chuyển hoặc không khí Qúa trình hàn dùng điện cực tự tiêu như hàn hồ quang kim loại khí hoặc hàn hồ quang lõi thuốc, có thể dùng hoặc không dùng khí cách ly

Các súng hàn có thể ở dạng thẳng hoặc cong Súng hàn cong để tiếp cận mối hàn

dễ dàng hơn

Hình 1.10: Nguồn điện cho hàn hồ quang

Hình 1.11: Súng hàn

Chức năng chính của súng hàn là truyền dòng điện tới điện cực Đối với quá trình hàn dùng điện cưc tự tiêu, dòng hàn được truyền tới điện cực khi nó chuyển động qua súng

Chức năng thứ hai của súng hàn là cấp khí cách ly tới vùng hàn (nếu có) Hàn hồ quang kim loại khí dùng khí hoạt động như các bon đi ôxít hoặc hỗn hợp khí trơ, - -thường là argon với CO2 hoặc ô-xy

Súng hàn được mắc vào thân robot bằng một cánh tay thích hợp Thường là một ly hợp chống va đập, phòng khi điện cực bị dính hoặc va chạm khi lắp đặt, khởi động

Bộ cấp dây

Hình 1.13: Bộ cấp dây hàn

Bộ cấp dây dùng để bổ sung kim loại điền đầy trong qúa trình hàn tự động Điều

Hình 1.12: Ly hợp chống va đập

hợp với những yêu cầu cụ thể của từng dây chuyền Bình thường, bộ cấp dây được mắc trên cánh tay robot, độc lập với nguồn hàn Với hàn tự động, cần có một giao diện điều khiển giữa bộ điều khiển robot, nguồn và bộ cấp dây Hệ thống cấp dây hàn phải phù hợp với quá trình hàn và kiểu nguồn điện được sử dụng

Có hai kiểu cơ bản Kiểu thứ nhất dùng cho hàn dùng dây điện cực tự tiêu, gọi là bộ

cấp dây điện cực Điện cực là một phần của mạch hàn, và kim loại nóng chảy từ

điện cực lấp đầy vào mối hàn Có hai loại cấp dây điện cực khác nhau Nguồn công suất không đổi cần một bộ cấp dây cảm áp, trong đó tốc độ cấp dây thay đổi liên tục Còn nguồn điện áp không đổi cần tốc độ cấp dây không đổi trong suốt quá trình hàn

Kiểu cấp dây thứ hai gọi là cấp dây nguội và được dùng cho hàn hồ quang tăng-xtan khí Điện cực không phải là một phần của mạch hàn, và kim loại điền đầy lấy từ vật hàn

Định vị và giữ cố định vật hàn

Để nối các vật hàn, mỗi vật hàn phải được căn chỉnh chính xác và giữ chắc chắn tại chỗ trong quá trình hàn Một điều quan trọng là cách thiết kế một khung giữ các vật hàn tại vị trí thích hợp Bộ phận này phải thao tác nhanh và dễ dàng, giữ chắc các vật hàn cho tới khi chúng dính vào nhau và phải cho phép súng hàn tự do tiếp cận mối hàn

Bộ định vị có thể được thiết kế giống như trong hàn bằng tay, hoặc chuyên biệt để tăng tính linh hoạt và tầm hoạt động của các hệ thống hàn tự động Độ chính xác cũng phải cao hơn Ngoài ra, các điều khiển định vị robot phải tương thích và tuân thủ theo bộ điều khiển robot trung tâm để đạt được chuyển động phối hợp tức thì của nhiều trục trong khi hàn

Tuy nhiên, thao tác nâng hạ các bộ phận tĩnh của hệ robot rất tốn thời gian và có thể phi thực tế Sẽ hiệu quả hơn nếu có hai hay nhiều khung giữ trên một bộ định vị vật hàn quay, mặc dù chi phí ban đầu cao hơn

Bộ làm sạch súng hàn

Để làm việc chính xác và tin cậy, súng hàn hồ quang phải được làm sạch liên tục Chu kỳ làm việc cao độ của hàn tự động nên quá trình làm sạch súng hàn cũng phải được tự động hóa Chất tách vẩy hàn được phun vào mũi súng hàn Ngoài ra, bộ làm sạch còn có thể trà sát mũi súng hàn để loại bỏ vẩy hàn bám vào và cắt dây hàn Hệ

Hình 1.14: Khung giữ vật hàn

Hình 1.15: Bộ làm sạch súng hàn

thống làm sạch phải được tự động kích hoạt tại các thời điểm mà hệ điều khiển yêu cầu

Bộ định tâm

Cảm biến cuối tay và quá trình căn chỉnh trọng tâm là những yếu tố cơ bản để thực hiện thành công hệ thống hàn tự động Cảm biến cuối tay dùng để phát hiện vị trí thực tế của cạnh vật hàn so với khung robot, từ đó tính ra chính xác trọng tâm công cụ so với vật hàn

1.3.2 Cấu trúc cơ khí và bậc tự do của tay máy hàn

a Cấu trúc cơ khí

Hầu hết các robot hàn thường lựa chọn cấu trúc chuỗi động học hở, các cơ cấu điển hình của cấu trúc kiểu này có thể kể đến:

- Robot OTC DAIHEN Hàn quốc;

- Robot VR 006 CII Panasonic Nhật bản;

- Robot TA 1400 Panasonic Nhật bản;

- Robot Fanuc S900W

Đặc điểm điển hình thứ hai của cấu trúc cơ khí của nhiều loại robot hàn là cổ tay

Hình 1.16: Bộ định tâm

Điều này tạo ra sự thuận lợi cho việc định hướng khâu tác động cuối là mỏ hàn khi tiếp cận đối tượng để tao tác công nghệ

Đặc điểm nỗi bật nữa của robot hàn là khớp cổ tay thường có giới hạn cử động lớn, nhằm đáp ứng các chuyển động phức tạp khi thao tác, hệ số phục vụ lớn là điều kiện cần thiết để tiếp cận một điểm từ nhiều phía trong không gian Điển hình như robot VR006 CII Panasonic có thể thực hiện chuyển động roll cổ tay ± 400 0, bất chấp sự cản trở của cơ cấu cấp dây hàn gá trên khâu 6

Trong luận văn khảo sát, nghiên cứu loại robot hàn di động có cấu trúc khá đơn giản như hình vẽ:

3 Khâu 3, khớp quay 3

4 Mỏ hàn

5 Mối hàn

q1; q3 - Chuyển động quay

q2; q4- Chuyển động tinh tiến

Robot này được nghiên cứu ứng dụng cho việc hàn cắt đường ống trong gia – công chế tạo, lắp đặt, xây dựng hệ thống đường ống dẫn dầu khí trong công nghiệp dầu khí

b Bậc tự do chuyển động của robot hàn

Theo lý thuyết một vật thể tự do trong không gian ba chiều có 6 bậc tự do, ba bậc

tự do tịnh tiến xác định vị trí, ba bậc tự do quay xác định hướng của vật thể

Cấu trúc động học của robot ràng buộc và hạn chế khả năng chuyển động của robot có thể cả về vị trí, vận tốc, gia tốc Về mặt cơ học, số ậc tự do của rôbốt bđược hi u là s di chuy n ể ố ể ảo độ ậc l p c a nó i v i cá robot ủ Đố ớ c mà chuyển động của

nó chịu sự hạn chế về vị trí th ố bậc tự do được xác định bởi số tham số độc lập ì s

đủ để xác định vị trí của robot Ta có công thức xác định số bậc tự do của robot là:

λ là s ố bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của robot (λ = 3, λ = 6lần lượt tương ứng với không gian hai chiều và ba chiều)

Vậy số bậc tự do của robot trên là:

ba khớp quay để có thể lựa hướng linh hoạt khi tiếp cận vị trí thao tác

Một số vật hàn với kích thước lớn (đóng tàu, vỏ máy bay), vì không thể thiết kế robot có tầm với tương xứng nên trường hợp này thường sử dụng robot tự hành, hoặc sử dụng các đồ gá đặc biệt để dịch chuyển tịnh tiến hay xoay vật Khi đó cổ tay vẫn giữ nguyên ba bậc tự do của nó trong khi phần cấu trúc cơ sở có thể bớt đi một hoặc hai bậc tự do tùy thuộc vào việc cấu trúc tự hành của robot cho phép nó di chuyển theo một hay hai phương Nếu robot hàn tự hành, thường gặp nhất là tình huống sử dụng đường ray làm dẫn hướng khi chuyển động

Hình 1.19: Ro bot hàn di động

1.3 3 Đặc tính kỹ thuật robot hàn và thông số đường hàn

Như các thiết bị công nghệ khác, đặc tính kỹ thuật là thông số quan trọng để lựa chọn, khai thác và vận hành thiết bị Robot hàn là một thiết bị cơ điện tử điển hình, các đặc tính của nó bao gồm nhiều thông số thuộc các chuyên môn khác nhau

Hình 1.20: Robot và Cơ điện tử

Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp các thông tin cơ bản trong catalog theo máy gồm:

- Bậc tự do;

- Hình dáng và kích thước vùng làm việc (Front view, top view);

- Sơ đồ động học;

- Kích thước bao gói, khối lượng tĩnh;

- Tầm với max, min;

- Tải trọng danh nghĩa và lớn nhất;

- Độ chính xác, độ chính xác lặp lại;

- Tốc độ di chuyển cực đại theo các phương của hệ quy chiếu cơ sở;

- Giới hạn chuyển động của từng khớp trên cánh tay;

- Hiệu điện thế không tải;

- Hệ điều hành (Xuất xứ);

- Khả năng kết nối thiết bị ngoại vi

Kỹ sư công nghệ hàn là người sử dụng robot cần quyết định chế độ công nghệ gồm các thông tin sau để điều chỉnh máy:

- Vh Vận tốc độ hàn;

- Kp Hệ số đắp;

- Ih Cường độ dòng hàn;

- ψ hệ số tổn thất que hàn;

- Fht lượng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đường hàn;

- γ Tỉ khối kim loại hàn;

- Ih Cường độ dòng hàn;

- Tốc độ chạy dây;

- Vận tốc di chuyển mỏ hàn;

- Lưu lượng khí bảo vệ;

- Khoảng cá h từ mỏ hàn đến bề mặt gia công;c

- Tư thế của mỏ hàn đối với vật hàn.

- Quy luật di chuyển của mỏ hàn để thực hiện được mối hàn theo yêu cầu công nghệ

1.4 Ứng dụng R obot trong thi công hàn - cắt đường ống dẫn dầu , khí

1.4.1 Công nghệ dầu khí :

Sản phẩm của ngành dầu khí thường dưới dạng chất lỏng hoặc chất khí, với đặc điểm khai thác trên biển không thuận tiện cho việc chuyên chở bằng tàu thuyền, hình thức vận tải chủ yếu của ngành dầu khí là sử dụng đường ống

Vận tải đường ống cho giá thành rẻ, ít phải bảo trì cũng như lượng tổn thất trong quá trình vận tải là nhỏ hơn các hình thức khác Ống sử dụng trong vận tải sản phẩm dầu khí vì lý do độ bền, lý do công nghệ thường chế tạo bằng thép với đường kính trong khoảng từ 150 500 (mm) hoặc hơn nữa.–

Do áp lực trong lòng ống lớn để vận chuyển trên khoảng cách xa, mặt khác chịu các tác động ngẫu nhiên từ môi trường nên độ bền của mối ghép là vấn đề quan tâm hàng đầu Ở khía cạnh này ống dẫn thường không ghép bằng ren, do chúng có kích thước lớn, mặt khác độ bền và độ kín khít của mối ghép ren đạt được với chi phí lớn hơn nhiều so với mối ghép bằng hàn Đặc biệt với kích thước lớn việc thi công lại diễn ra trên biển mối ghép ren không phải là lựa chọn trong trường hợp thiếu thiết

bị hỗ trợ chuyên dùng

1.4.2 Lắp đặt đường ống dẫn dầu khí ở Việt Nam :

Từ lâu các sản phẩm dầu khí của Việt Nam khai thác từ các giàn khoan trên biển như Bạch Hổ, Đại Hùng, Nam Côn Sơn, nhà máy lọc dầu Dung Quất…được vận chuyển bằng ống Các kỹ thuật hiện sử dụng hầu hết do người Nga chuyển giao và giúp đỡ, các thiết bị cũng do nước ngoài chuyển giao Ngày nay năng lượng là vấn