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 TỐN ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN - CẮT TỰ ĐỘNG GIA CÔNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ Chun ngành : CƠNG NGHỆ 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 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131808101000000 Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Chu Mạnh Vinh Nơi cơng tác: Khoa Cơ khí Trường cao đẳng nghề Cơ khí nơng nghiệp Tên đề tài: Tính tốn động học robot hàn - cắt tự động gia công đường ống dẫn dầu, khí Chun ngành: Cơng nghệ chế tạo máy Tôi xin cam đoan, luận văn riêng tơi Các số liệu kết trình bày luận văn phát triển, chưa cơng bố tài liệu Hà Nội, ngày 25 tháng 10 năm 2010 Người viết CHU MẠNH VINH MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 12 1.1 Giới thiệu robot 12 1.2 Công nghệ hàn hồ quang 18 1.3 Rôbot Hàn 21 1.3.1 Hệ thống hàn hồ quang tự động 27 1.3.2 Cấu trúc khí bậc tự tay máy hàn 33 1.3.3 Đặc tính kỹ thuật robot hàn thơng số đường hàn 38 1.4 Ứng dụng Robot thi công hàn – cắt đường ống dẫn dầu khí 40 1.4.1 Cơng nghệ dầu khí 40 1.4.2 Lắp đặt đường ống dẫn dầu khí Việt Nam 40 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC ROBOT 42 HÀN – CẮT TỰ ĐỘNG GIA CƠNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ 2.1 Cấu trúc động học, bậc tự robot hàn di động 2.1.1 Cấu trúc động học 42 2.1.2 Bậc tự chuyển động WMR 44 2.2 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot 2.2.1 Các tọa độ nhất, ma trận biến đổi nhất 42 2.2.2 Các ma trận quay ma trận tịnh tiến 45 45 47 2.2.3 Cách xây dựng hệ trục tọa độ theo Denavit-Hartenberg 48 2.2.4 Các tham số động học Denavit-Hartenberg 50 2.2.5 Các ma trận Denavit-Hartenberg 51 2.3 Thiết lập hệ phương trình động học WMR 52 2.3.1 Các hệ tọa độ 52 2.3.2 Xác định ma trận trạng thái khâu theo dây chuyền động học 56 2.3.3 Xác định ma trận trạng thái khâu theo yêu cầu thao tác công 57 nghệ 2.3.4 Thiết lập hệ phương trình động học robot Chương 3: TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN – CẮT 59 62 TỰ ĐỘNG GIA CƠNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ 3.1 Tính tốn biên dạng mép cắt, biên dạng đường hàn 62 3.1.1 Mơ hình tốn học đối tượng gia cơng 62 3.1.2 Tính tốn biên dạng mép cắt, biên dạng đường hàn 64 3.2 Phương pháp tính toán động học 67 3.2.1 Xác định tọa độ điểm hàn mối hàn 68 3.2.2 Xác đinh hướng khâu thao tác 69 3.3 Khảo sát toán thuận động học robot 72 3.3.1 Bài toán thuận vị trí 72 3.3.2 Bài tốn thuận vận tốc 74 3.3.3 Bài toán thuận gia tốc 76 3.4 Khảo sát toán ngược động học robot 77 3.4.1 Bài tốn ngược vị trí 77 3.4.2 Bài tốn ngược vận tốc 77 3.4.3 Bài toán ngược gia tốc 79 3.5 Kết tính tốn động học robot 81 3.6 Mô 87 3.6.1 Giới thiệu sơ lược ngơn ngữ lập trình VisuaL C++ ứng dụng MFC 3.6.2 Khái quát thư viện đồ họa OpenGL 88 88 3.6.3 Các bước xây dựng chương trình mô KẾT LUẬN 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Trang ISO International Organization for Standardization 12 CAD Computer Aided Design 22 CAM Computer Aided Manufacturing 22 NC Numerical Control 22 q ; q3 Chuyển động quay 35 q 2; q Chuyển động tịnh tiến 35 f số bậc tự robot 36 n số khâu robot bao gồm giá cố định 36 λ số bậc tự vật rắn không chịu liên kết không 36 gian làm việc robot fi số bậc tự khớp thứ i 36 g tổng số khớp cấu 36 fc số liên kết thừa 36 fr số bậc tự thừa 36 Vh Tốc độ hàn 39 Kp Hệ số đắp 39 Ih Cường độ dòng hàn 39 ψ Hệ số tổn thất que hàn 39 Fht lượng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đường hàn 39 Ih Cường độ dòng điện hàn 39 γ Tỉ khối kim loại hàn 39 WMR σ Welding Mobile Robot hệ số tỷ lệ 42 45 45 i −1 Ai Ma trận mơ tả vị trí hướng khâu i khâu i-1 i−1 Ai−1 Ma trận nghịch đảo ma trận i −1 Ai 45 i −1 Ma trận cosin hướng 45 i−1 Ma trận chuyển vị 46 Ma trận cosin hướng có quay hệ tọa độ quanh trục 47 Ci C Ti Rot(x,φ tọa độ x góc φ Rot(y,ψ) Ma trận cosin hướng có quay hệ tọa độ quanh trục 48 tọa độ y góc ψ Rot(z,θ) Ma trận cosin hướng có quay hệ tọa độ quanh trục 48 tọa độ z góc θ Trans(a, Tịnh tiến dọc trục tọa độ x đoạn a, theo trục tọa độ y b,c) đoạn b, theo trục tọa độ z đoạn c 48 An Ma trận xác định vị trí khâu thao tác 56 n Ak Ma trận xác định vị trí hệ tọa độ gắn với khâu thao tác 56 điểm tác động cuối hệ tọa độ khâu cuối n D-H Denavit-Hartenberg 56 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Bảng tham số động học DH 60 Bảng 3.1 Bảng toạ độ điểm chốt P i quỹ đạo không gian tọa 65 độ vật Bảng 3.2 Bảng tọa độ điểm không gian hệ quy chiếu sở robot 67 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Các dạng vùng làm việc tay robot 14 Hình 1.2: Một số loại robot cơng nghiệp điển hình ứng dụng 16 Hình 1.3: Hàn hồ quang 19 Hình 1.4: Robot hàn 24 Hình 1.5: Robot han điểm 24 Hình 1.6: Robot hàn đường 25 Hình 1.7: Một số loại robot hàn ống 26 Hình 1.8: Robot hàn hồ quang 27 Hình 1.9: Các cánh tay robot hàn 28 Hình 1.10: Nguồn điện cho hàn hồ quang 29 Hình 1.11: Súng hàn 29 Hình 1.12: Ly hợp chống va đập 30 Hình 1.13: Bộ cấp dây hàn 30 Hình 1.14: Khung giữ vật hàn 32 Hình 1.15: Bộ làm súng hàn 32 Hình 1.16: Bộ định tâm 33 Hình 1.17: Sơ đồ động học robot hàn di động 35 Hình 1.18: Robot hàn Panasonic 37 Hình 1.19: Robot hàn di động 36 Hình 1.20: Robot điện tử Hình 2.1: Mơ hình robot hàn di động 42 Hình 2.2: Sơ đồ động học robot hàn di động 43 Hình 2.3: Mơ tả ma trận định hướng hệ tọa độ 45 Hình 2.4: Các góc quay Roll-Pitch Yaw Robot 47 Hình 2.5: Các hệ tọa độ gắn robot 53 Hình 2.6: Góc hợp hai ống trụ 54 Hình 2.7: Sơ đồ động học robot 54 Hình 2.8: Hệ tọa sở 55 Hình 2.9: Hệ tọa độ khâu 56 Hình 3.1: Mơ tả đường hàn khơng gian ba chiều 52 Hình 3.2: Thiết lập điểm keypoint lệnh Divide 64 Hình 3.3: Quan hệ chuyển trục hai hệ quy chiếu 66 Hình 3.4: Mơ tả q trình hàn 68 Hình 3.5: Mơ hình tính tốn 69 Hình 3.6: Hình biểu diễn vận tốc hàn 71 Hình 3.7: Sơ đồ thơng số tính tốn 81 Hình 3.8: Khoảng cách hệ tọa độ sỏ hệ tọa đọ vật 82 Hình 3.9: Giao tuyến hai ống trụ Maple 82 Hình 3.10: Đồ thị vị trí khâu 83 Hình 3.11: Đồ thị vị trí khâu 83 Hình 3.12: Đồ thị vị trí khâu 83 Hình 3.13: Đồ thị vị trí khâu 83 Hình 3.14: Đồ thị vị trí robot 84 Hình 3.15: Đồ thị vận tốc khâu 84 Hình 3.16: Đồ thị vận tốc khâu 84 Hình 3.17: Đồ thị vận tốc khâu 85 Hình 3.18: Đồ thị vận tốc khâu 85 Hình 3.19: Đồ thị vận tốc robot 85 Hình 3.20: Đồ thị gia tốc khâu 86 Hình 3.21: Đồ thị gia tốc khâu 86 Hình 3.22: Đồ thị gia tốc khâu 86 Hình 3.23: Đồ thị gia tốc khâu 86 Hình 3.24: Đồ thị gia tốc robot 87 Hình 3.25: Giao diện chương trình mơ động học robot WMR 89 MỞ ĐẦU Việc nghiên cứu ứng dụng robot vào sản xuất công nghiệp triển khai ngày nhiều nước ta nhằm phục vụ nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước Về mặt kỹ thuật, robot sản phẩm tiêu biểu khoa học công nghệ Cơ điện tử, tích hợp đa ngành, đa lĩnh vực khoa học cơng nghệ như: Cơ khí tự động hóa, Điện - Điện tử, cơng nghệ thơng tin,… Về kết cấu khí, robot thiết bị linh hoạt có kết cấu gọn nhẹ, dễ chế tạo, lắp ráp so với thiết bị khác Khả linh hoạt cao việc lựa chọn thay đổi cấu trúc theo yêu cầu thao tác công nghệ ứng dụng Về hệ thống dẫn động, robot trang bị hệ thống dẫn động có khả linh hoạt việc điều khiển chuyển động robot Các động dẫn động chế tạo, tích hợp điều khiển Nhờ có khả kết nối với hệ thống điều khiển dễ dàng thuận lợi việc lập trình điều khiển Nhờ có nhiều ưu điểm tính vượt trội, robot nghiên cứu ứng dụng ngày rộng rãi trở nên phổ biến nước phát triển Nghiên cứu để nắm bắt thành tựu giới việc triển khai ứng dụng robot yêu cầu tất yếu nhà khoa học, chuyên gia kỹ thuật nước ta Đặc biệt việc nhập sản phẩm đắt khả làm chủ ứng dụng khai thác từ sản phẩm nhập bị hạn chế, việc nghiên cứu để tự chế tạo robot u cầu có tính thời nhà chuyên môn, chuyên gia kỹ thuật nước ta Từ lâu sản phẩm dầu khí Việt Nam khai thác từ giàn khoan biển Bạch Hổ, Đại Hùng, Nam Côn Sơn, nhà máy lọc dầu Dung Quất…được vận chuyển đường ống Các kỹ thuật sử dụng hầu hết người Nga chuyển giao giúp đỡ, phần nước chuyển giao Ngày lượng vấn đề sống quốc gia nào, chưa tìm nguồn lượng thay lượng hóa thạch cách thích đáng, dầu mỏ sản phẩm 10