B D VÀ T Ộ GIÁO ỤC ĐÀO ẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC B KHOA HÀ NÁCH ỘI PHẠM NGỌC HẢI KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT TRONG GIA CÔNG BẰNG TIA LAZE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội 2016 Tai ngay!!! Ban c[.]
Trang 1B Ộ GIÁO ỤC D VÀ ĐÀO ẠO T
TRƯỜNG ĐẠI HỌC B ÁCH KHOA HÀ N ỘI
-
PHẠM NGỌC HẢI
KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT
TRONG GIA CÔNG BẰNG TIA LAZE
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17062858041221000000 1b0858a2-acf5-4e66-84c6-3b0a34041d01
Trang 2B Ộ GIÁO ỤC D VÀ ĐÀO ẠO T
TRƯỜNG ĐẠI HỌC B ÁCH KHOA HÀ N ỘI
-
PHẠM NGỌC HẢI
KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT
TRONG GIA CÔNG BẰNG TIA LAZE
Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS PHAN BÙI KHÔI
Trang 3tài: Khảo sát động học và mô phỏng robot trong gia công bằng tia laze
Chuyên ngành: Công ngh ch t o máy
Mã s : CB140308
a riêng tôi Các ktrong lu
li u nào./
t
Người viế
Phạm Ngọc Hải
Trang 42
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
DANH M C CÁC B NG Ụ Ả BIỂU 4
DANH M C CÁC HÌNH VỤ Ẽ, ĐỒ THỊ 5
LỜI MỞ ĐẦU 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 12
1.1 ng d ng robot trong gia công b ng tia laze 12
1.1.1 Robot công nghi p 12
1.1.2 ng d ng robot công nghi
1.1.3 ng d ng robot trong gia công b ng tia laze 22
1.2 C ng h c robot gia công b ng tia laze 37
1.2.1 C u trúc chung c a robot công nghi p 37
1.2.2 C u trúc chung c a robot gia công b ng tia laze 39
u ch p hành c a robot gia công b ng tia laze
kh ng h c robot
1.3.1 T thu n nh t và ma tr n bi i t thu n nh t
pháp Denavit-Hartenberg 46
n truy n bi i t th Hartenberg 47
CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT ĐỘNG H C ROBOT TRONG GIA CÔNG BỌ ẰNG TIA LAZE 49
2.1 Các h t a kh o sát, các tham s ng h c 49
2.1.1 Các h t kh o sát 49
2.1.2 Các tham s ng h c Denavit-Hartenberg 50
2.1.3 Các ma tr n bi i t thu n nh t Denavit-Hartenberg 50
2.2 Thi t l ng h c robot
2.2.1 Ma tr n tr ng thái khâu thao tác theo tr ng thái thao tác gia công công ngh 51
2.2.2 Ma tr n tr ng thái khâu thao tác theo c ng h c 52
Trang 53
ng h c robot
ng h c robot
ng h c thu n
ng h c
gi ng h c
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG ROBOT GIA CÔNG BẰNG TIA LAZE 59
3.1 Thi t k mô hình c u trúc robot gia công b ng tia laze 59
3.1.1 Các ph n m m thi t k 59
3.1.2 Thi t k c u ch p hành c a robot
3.1.3 T o d li nh d ng c u trúc robot 63
3.2 Tính toán quy lu t chuy ng c a robot 64
3.2.1 Gi i thu t tính toán 64
3.2.2 L p trình b ng ngôn ng Maple 65
3.2.3 Mô ph ng s các k t qu tính toán 69
3.3 Mô ph ng ho ng c a robot 86
3.3.1 Thi t k giao di ô ph ng robot
3.3.2 C
3.3.3 Mô ph ng ho ng thao tác c a robot 92
KẾT LU N Ậ 93
TÀI LI U THAM KHỆ ẢO 94
Trang 75
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ TH Ị
b trí robot ph c v nhi t luy
làm vi c c a robot trên dây chuy n hàn v ô tô Toyota
Hình 1.4 Robot ph c v máy ti n bán t ng 18
u phân ph i ph
b trí robot ph i h p làm vi c trên dây chuy n t ng
Hình 1.7 Dây chuy n máy phay t ng có hai robot ph c v 20
Hình 1.8 T l phân b v lo i công vi c dùng robot 22
phân b t l các lo i robot v i các lo nhau 22
Hình 1.10 Nguyên lý gia công chùm tia laze 23
Hình 1.11 Nguyên lý gia công chùm tia laze. 25
Hình 1.12 C t b ng tia laze 26
Hình 1.13 Máy gia công b ng tia laze trên m t ph ng 34
n c t hình b ng máy laze
Hình 1.15 C n 1 máy gia công b ng tia laze 3
Hình 1.16 Các s n ph c gia công b ng máy laze 35
Hình 1.17 Các tay máy ng d ng gia công b ng tia laze 36
Hình 1.18 Robot gia công b c g Hình 1.19 C u trúc chung c a robot công nghi p 38
Hình 1.20 Ví d v các k t c u modun 39
Hình 1.21 C u trúc chung c a robot gia công b ng tia laze 40
Hình 1.22 Mô hình 3D c a robot ba b c t do 41
n hình v Hình 1.24 Kh o sát v t B trong h quy chi u 43
Hình 1.25 G n các khâu c a robot theo tr c d c các kh p 46
Hình 1.26 Khâu c a robot d ch chuy n theo tr c d c kh p 47
Hình 2.1 H tr c t c c t do
Trang 86
Hình 3.1 Giao di n SolidWorks 60
Hình 3.2 Các lo i tài li u trong SolidWorks 61
Hình 3.3 Hình v 3D chi ti c g n v i giá c nh
Hình 3.4 Hình v 3D chi ti t khâu 2 c a robot laze 62
Hình 3.5 Hình v 3D chi ti t khâu 3 c a robot laze 62
Hình 3.6 Hình v 3D chi ti t khâu 4 c a robot laze 62
Hình 3.7 Hình v 3D chi ti t khâu 5 (khâu thao tác cu i) c a robot laze 62
Hình 3.8 Xu t d li nh d ng STL
Hình 3.9 Màn hình giao di a hãn Hình 3.10 Mô hình robot laze gia công l tròn trên b m t n m ngang c a v máy 70
Hình 3.11 th bi u di n quy lu t chuy ng c
Hình 3.12 th bi u di n quy lu t v v n t c chuy ng c Hình 3.13 th bi u di n quy lu t v gia t c chuy ng c a
Hình 3.14 th bi u di n v trí các khâu thao tác 72
Hình 3.15 th bi u di n v n t c các khâu thao tác 73
Hình 3.16 th bi u di n gia t c các khâu thao tác 73
Hình 3.17 th bi u di n v trí khâu 1 74
Hình 3.18 th bi u di n v n t c khâu 1 74
Hình 3.19 th bi u di n gia t c khâu 1 74
Hình 3.2 th bi u di n v trí khâu 2 75
Hình 3.21 th bi u di n v n t c khâu 2 75
Hình 3.22 th bi u di n gia t c khâu 2 75
Hình 3.23 th bi u di n v trí khâu 3 76
Hình 3.24 th bi u di n v n t c khâu 3 76
Hình 3.25 th bi u di n gia t c khâu 3 76
Hình 3.26 th bi u di n v trí khâu 4 77
Hình 3.27 th bi u di n v n t c khâu 4 77
Hình 3.28 th bi u di n gia t c khâu 4 77
Trang 97
Hình 3.29 th bi u di n v trí khâu 5 78
Hình 3.3 th bi u di n v n t c khâu 5 78
Hình 3.31 th bi u di n gia t c khâu 5 78
Hình 3.32 th bi u di n v
Hình 3.33 th bi u di n v n t
Hình 3.34 th bi u di n gia t
Hình 3.35 th bi u di n v trí theo ph a
Hình 3.36 th bi u di n sai l ch v trí theo ph a
Hình 3.37 th bi u di n v trí theo ph a
Hình 3.38 th bi u di n sai l ch v trí theo ph a
Hình 3.39 th bi u di n v trí theo ph a
Hình 3.4 th bi u di n sai l ch v trí theo ph a
Hình 3.41 th bi u di n v n t c theo ph a
Hình 3.42 th bi u di n sai l ch v n t c theo ph a
Hình 3.43 th bi u di n v n t c theo ph a
Hình 3.44 th bi u di n sai l ch v n t c theo ph a Hình 3.45 th bi u di n v n t c theo ph a
Hình 3.46 th bi u di n sai l ch v n t c theo ph a
Hình 3.47 th bi u di n gia t c theo ph a
Hình 3.48 th bi u di n sai l ch gia t c theo ph a
Hình 3.49 th bi u di n gia t c theo ph c a
Hình 3.5 th bi u di n sai l ch gia t c theo ph a
Hình 3.51 th bi u di n gia t c theo ph a
Hình 3.52 th bi u di n sai l ch gia t c theo ph a
Hình 3.53 H t c g n v i khâu 1 c a robot 87
Hình 3.54 H t c g n v i khâu 2 c a robot 88
Hình 3.55 H t c g n v i khâu 3 c a robot 88
Hình 3.56 H t c g n v i khâu 4 c a robot 88
Hình 3.57 H t c g n v i khâu 5 (khâu thao tác cu i) c a robot 88
Trang 108
Hình 3.58 Tùy ch n hi u ch nh d ng *.STL
Hình 3.60 Giao di n ch ng d n t i file c u trúc robot 91 Hình 3.61 Giao di n ch ng d n t i file d li u mô ph ng robot 91
Trang 11
1-Tính cấp thi t cế ủa đề tài
Ngành công nghi p th gi i qua nhi u cu c cách m ng trong quá kh
Trang 12làm truy n th ng, k t qu mô ph ng, s m b o tính khách quan c a v
4-Ý nghĩa của đề tài
Trang 1412
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ng d ng robot trong gia công b ng tia laze Ứ ụ ằ
1.1.1 Robot công nghiệp
Robot công nghi p c ng d ng r t r ng rãi và ph bi n trên th gi i, nó
có th tham gia vào các quá trình s n xu t, s a ch a, ch t o trong t t c các ngành
p, nông nghi p, y h1.1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong gia công cơ khí
a M c tiêu ng d ng robot công nghi p (Nguy n Thi n Phúc, 2002)
- Robot có th th c hi c m t quy trình thao tác h p lý b ng ho
th lành ngh m t cách nh trong su t th i gian làm vi c Vì th robot có th góp
ph m theo yêu c u c a th ng c nh tranh
- Kh m giá thành s n ph m do ng d ng robot là vì gi
Trang 1513
ng, c ng các kho n ph c p và b o hi m xã h i Theo s li u c a Nh t Bthì n u m t robot làm vi c thay th i th thì ti n mua robot ch b ng ti
r i t ng hóa và robot hóa chúng khi c n thi quy
robot hóa cho c dây chuy n công ngh ho c ch m
ng xem xét các m t sau:
- Nghiên c u quá trình công ngh c robot hóa và phân tích toàn b h
và n u hi u qu tính ra cho toàn b h th ng không th hi n rõ thì vi
nh ng nguyên công nào thì ph i xem xét kh u robot có thay th
không và có hi u qu
ng thay th hoàn toàn b ng robot th c t không hi u qu b ng vi c gi l i m t
Trang 1614
hi
Trang 1816
ti p t c nâng lên t i v trí (7) và quay sang v trí xu t phát (8) ch tín hi u m máy
ngo i tín hi u t LS1, LS2, LS3 báo v trí cao nh t c
i c a thi t b nâng phôi
- Các quá trình hàn và nhi t luy ng bao g m nhi u công vi c n ng
robot công nghi p
Trên Hình 1.2 gi i thi b trí robot ph c v vi c nhi t luy
nhi t luy n: 1 v trí trong lò; 2 v trí ch vào lò nung; 3 v trí l y t
chuy n; 4 v trí trên máy ép; 5 v
c s d ng ph bi n nh t là trong vi c t ng hóa quá trình hà
c bi t trong k ngh ô tô Trên Hình 1.3 làm vi c c a robot trên dâchuy n hàn v ô tô Toyota (Nh t B n)
Trang 1917
Khi s d ng robot trong vi c bi t là hàn h quang v i m i hàn ch
kho ng cách c n c c so v i m t ph ng c a m i hàn Nhi m v
liên h ph n h i Kinh nghi m cho th y r ng có th th c hi n t t công vi c hàn n u
tra và hi u ch nh Ngoài ra robot hàn còn phát huy tác d ng l n khi hàn trong nh ng
c bi t
i ta s d ng robot ch y u vào các vi c tháo l p phôi và s n ph m cho các máy
n bán t
d ng d ng robot ph c v máy ti n bán t ng gia công các tr c bé Robot RBM
Trang 2018
ch t b ng th y l c R i sau khu gia công xong l i tháo chi ti t x
Trên tay máy l p hai bàn k p, dùng cho phôi và dùng cho s n ph m Các con s trên
t hi n nhi u dây chuy n t ng g m các máy v
Trang 21thi t b phân ph i ph Trên Hình 1.5 gi i thi u m t lo u phân ph i (3)
các chi ti t
Trang 2220
Hình 1.7 Dây chuy n máy phay t ng có hai robot ph c v
Trang 23robot công nghi
dây chuy n t ng linh ho t
v y ngày nay h SXLH thu hút s chú ý không nh ng c phát tri n và ngay
Trang 2422
Hình 1.8 T l phân b v lo i công vi
c dùng robot
c: 18,3 m: 14,7%
Robot Association) và bi t l phân b v các lo i công vi c s drobot Còn Hình 1.9 là bi phân b t l các lo i robot s d
Nh t B n (JIRA
u vì s ng c a các ti n b k thu t v (mechatronics) và t gi m giá nhanh c a thi t b vi x lý
1.1.3 Ứng dụng robot trong gia công bằng tia laze
a.Gi i thi u v gia công b ng tia Laze
Laze là t vi t t t c a c m t ti ng Anh (Light Amplification by Stimulated
Trang 25vi c h i t tia laze t i m t di n tích nh n 1/100 mm2), tia laze có th t
ng t
t c v t li u k thu t nào Gia công laze không cho phép bóc tách v t li u v i
ti p xúc và không mòn
b.H th ng gia công laze
Hình 1.10 Nguyên lý gia công chùm tia laze
t o ra tia laze là b ph n quan tr ng nh t
u phát laze ho
b ng khí xenon) bao xung quanh nó Thành trong c a bu ng ph n x có tính ph n x
Trang 2624
c t p trung vào thanh v t li u t o laze t
t t p trung vào v t li u gia công làm v t li u này b nóng ch y, b
ng laze có th liên t c ho c d ng xung và nó có th u ch
Trên th c t , laze có b n lo i là laze r n, laze l ng, laze khí và laze gama
n là thông d ng nh t Các lo i laze ph bi n trong công ng
H ng ng c 694,3 - Th r n; d ng xung; công su t 5W; là laze s d ng
Khí; d ng xung; sóng liên t c; d i công su t r ng r
n hàng ch c kW; dùng r ng rãi cho gia công v
li u; thích h p v i v t li u phi kim lo i
Kr 647,1 Ion; dùng trong ph u thu t, kính quang ph Raman
Excimer 200-500 Ion; d ng xung; tia d ng hình ch nh
1-1000 mJ
He Ne- 632,8 Sóng liên t c; công su t 0,5-50mW
Trang 2826
- Khi t p trung tia laze vào v trí gia công c n ch n h th ng quang h c và
tiêu c c a h th ng quang h c và s xung laze
n sau:
này thành nhi
t nóng v t li u gia công t i nhi có th phá h ng v t li
n này ng v i quá trình truy n nhi t trong v t r n tuy i b gi i h n v
ng c a chùm tia k t b m t tác d
này ng v i quá trình truy n nhi t mà b m t tác d
d ng c a chùm tia laze + V t li u gia công ngu i d n sau khi chùm tia laze tác d ng xong
Hình 1.12 C t b ng tia laze
Trang 2927
Quá trình bóc tách v t li u trong gia công b ng tia laze di n ra t i v trí tia
p vào v t li u gia công Quá trình này có th
nh khí th i vào vùng gia công
d Thi t b và d ng c
* Các lo i Laze :
Theo T p chí Logaritvietnam (2011), có nhi phân lo i Lase
bán d n, ze l ng và laze khí la
- ze bán d n: La
ng ho t tính c a laze bán d n là các bán d n lo i N hay lo i P
thuy t, hi u su t c a các lo i laze bán d n có th t t i 100% Tuy nhiên, trên th c
t hi u su t c a lo i laze này ch n 70% Vi c ch t o lo i laze bán d
l m T t nhiên, so v i các lo i laze laze khí (hi u su t 20%), laze r
lo i laze bán d n còn nh so sánh v i các lo i laze khí hay laze tinh t
Trang 3028
crôm và uranium V t li ng dùng là h ng ng c nhân t o
m c a lo i laze r n là hi u su t th p, ch c 5÷7% Tuy nhiên, lo
phát x laze trong ch t khí r t cao Laze excimer là laze khí dùng trong vi gia công,
su t khá cao, có th sánh vai cùng các lo i laze r n v i h p ch t nêodim Hi n nay
Trang 3129
lo i laze ng có th cho công su t trung bình g n 500 W ch xung, và
ch
Tuy nhiên, ch t l ng oxít clorua selen là m t lo i ch c, có h
c v i nó ph i tuân theo nhi u bi n p
su t khá cao, có th sánh vai cùng các lo i laze r n v i h p ch t nêodim Hi n nay
lo i laze ng có th cho công su t trung bình g n 500 W ch xung, và
ch
Tuy nhiên, ch t l ng oxít clorua selen là m t lo i ch c, có h
c v i nó ph i tuân theo nhi u bi n p
Trang 3230
c sóng m
* C u t o máy laze :
- Nguyên lý c u t o chung c a m t máy laze g m có: bu ng c ng
ch a ho t ch t laze, ngu n nuôi và h th ng d
m t ph n x t n ph n các photon khi bay t i, m t kia cho m t ph n photon qua m t
ph n ph n x l i làm cho các h t photon va ch m liên t c vào ho t ch t laze nhi u
l n Tính ch t c a laze ph thu c vào ho t ch
ch phân lo i laze
m:
- D ng c không ti p xúc v i chi ti t gia công; không có mòn d ng c
- L c tác d ng lên chi ti t gia công r t nh (có th b qua)
- T gia công r t nhanh
- D t ng hóa vi u khi n quá trình gia công
m:
- Giá thành thi t b cao
- Khó gia công các l sâu không thông
- l i các kim lo i trên mi ng h gia công nên c n làm s ch chúng
Trang 3331
f ng d ng c a gia công laze
* Khoan laze
laze không c n d ch chuy n mà ch ng yên và th c hi n khoan V i khoan c t, l
Khoan d ng th c hi n b ng laze Nd-YAG vì công su t xung c a lo i này
dài xung v i c hai lo i laze CO2 và laze Nd- ng nh
Trang 34n chi ti t gia công t n 15 mm tùy theo lo i laze, thi t k c u phun và
ng khí Kho ng cách này v i laze Nd- ng là 5 mm
5000W Trong ch xung, công su
lo i vì khi này yêu c u công su t t c th 2 công su t khi c t i laze CO
Trang 35c b ng cách dùng th u kính tiêu c l n V ng kính tia laze t
25mm có th ch n th
- V i laze CO2dùng tiêu c c t kim lo i dày t i 6mm Th u kính
hay 250 mm hay dùng cho v t li u có chi u dày l
- V i laze Nd-YAG hay dùng th u kính có tiêu c là 100 mm khi c t kim
t i phôi tùy theo lo i laze t n 1,5 mm v i laze CO2và t i 5 mm v i laze
* Kh c laze
c b ng laze là quá trình t
lên v t li u c n kh c Kh c b ng laze là ng d ng ph bi n nh t c a công ngh laze và
nó chi m 20% th ph n ng d ng c a t t c các ng d ng laze
c b ng laze có th c hi n trên h u h t các v t li u Kh
kh c thông tin s n ph m, t o bi ng c a hãng, kh c ngh thu t
Các lo kh c g m laze Nd-YAG, laze CO2 và laze excimer
Trang 36thao tác t i v trí gia công v i 3 b c t do di chuy n
Hình 1.13 Máy gia công b ng tia laze trên m t ph ng
Trang 3735
Hình 1.14 mô t n c t hình trên thép t m các chi ti t là l tròn Trên
và hình d ng ph c t p theo yêu c u b ng robot ng d ng tia laze
Trang 3836
Trên Hình 1 7 là các robot có ng d ng tia laze hi.1 i v i sáu b c t do có
th gia công linh ho t t i các v trí hình d ng phôi gia công ph c t p Hình (a) là hai tay máy robot ph i h p ho ng v i nhau cùng gia công m t chi ti t b
u khi n; Hình (b) là công ngh v i b n tay máy trong dây chuy n gia côn
Hình 1.17 Các tay máy ng d ng gia công b ng tia laze
Trang 3937
Thay vì s d ng các máy truy n th
i các c u trúc robot tùy theo yêu c u c a gia công, ch t o các s n ph m, ch
1.2 Cấu trúc động học robot gia công b ng tia laze ằ
1.2.1 Cấu trúc chung của robot công nghiệp
Trên Hình 1.19 gi i thi u các b ph n ch y u c a robot công nghi p lo i
Trang 40Tr c ti p liên h v i bàn k p là các d ng c (tools) thao tác v
ng làm vi c
thân c t là thân giá, mang trên mình cánh tay ngang Trên cánh tay này, t m v i c a