Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ khí: Cải tiến bộ điều khiển đầu hàn ống tự động

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian chăm chỉ học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, chúng tôi, nhóm tác giả, đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

GVHD: THS DƯƠNG THỊ VÂN ANH SVTH: NGUYỄN PHÚ QUÝ

PHAN TẤN PHÁT BÙI THANH NAM

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT

HỖ TRỢ ĐƯỜNG HÀN THẲNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT

HỖ TRỢ ĐƯỜNG HÀN THẲNG”

Giảng viên hướng dẫn: ThS DƯƠNG THỊ VÂN ANH

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHÚ QUÝ 20144304

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT

HỖ TRỢ ĐƯỜNG HÀN THẲNG”

Giảng viên hướng dẫn: ThS DƯƠNG THỊ VÂN ANH

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN PHÚ QUÝ 20144304

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên hướng dẫn)

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Phú Quý MSSV: 20144304 Hội đồng: 13

Họ và tên sinh viên: Phan Tấn Phát MSSV: 20144040 Hội đồng: 13

Họ và tên sinh viên: Bùi Thanh Nam MSSV: 20144042 Hội đồng: 13

Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng”

Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật cơ khí

Họ và tên giảng viên hướng dẫn: ThS Dương Thị Vân Anh

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.4 Những tồn tại (nếu có):

1 Hình thức và kết cấu ĐATN 30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình đáp

ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

4 Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho giảng viên phản biện)

Ý KIẾN NHẬN XÉT

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Phú Quý MSSV: 20144304 Hội đồng: 13 STT: 07

Họ và tên sinh viên: Phan Tấn Phát MSSV: 20144040 Hội đồng: 13 STT: 07

Họ và tên sinh viên: Bùi Thanh Nam MSSV: 20144042 Hội đồng: 13 STT: 07 Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng”

Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật cơ khí

Họ và tên giảng viên hướng dẫn: ThS Dương Thị Vân Anh

1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

1 Hình thức và kết cấu ĐATN 30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình

đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế 15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

4 Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: Ths Dương Thị Vân Anh

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phú Quý MSSV: 20144304 Điện thoại :0343200021

Sinh viên thực hiện: Phan Tấn Phát MSSV: 20144040 Điện thoại : 0775945201

Sinh viên thực hiện: Bùi Thanh Nam MSSV: 20144042 Điện thoại : 0703553720

1 Đề tài tốt nghiệp

➢ Mã đề tài: CKM-41

➢ Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng”

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Cánh tay robot sử dụng các phương pháp hàn, hỗ trợ hàn tịnh tiến trên đường thẳng

- Đối tượng ứng dụng: Mối ghép hàn thẳng, mối ghép hàn bên trong chi tiết thùng, hòm chứa, bồn, …

- Sử dụng hệ tọa độ X, Y, Z để triển khai mô hình và phương thức hoạt động

- Các phần mềm hỗ trợ thiết kế: Autocad (2D), Inventor

3 Nội dung chính của đồ án:

- Nghiên cứu các cơ cấu di chuyển của cánh tay robot

- Nghiên cứu, thiết kế mô hình máy tối ưu và mô phỏng vận hành, hoàn thiện thiết kế

- Gia công, chế tạo và lắp ráp các chi tiết, bộ phận linh kiện thành máy hoàn chỉnh

- Vận hành thử nghiệm, đánh giá - điều chỉnh và tiến hành viết báo cáo, thuyết minh

4 Các sản phẩm dự kiến

- Mô hình cánh tay robot hỗ trợ hàn đường thẳng

- Các sản phẩm được hình thành bằng thép tấm với công nghệ hàn thẳng thông qua mô hình cánh tay robot

5 Ngày giao đồ án: 19/02/2024

6 Ngày nộp đồ án: 01/07/2024

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

 Được phép bảo vệ ………

(GVHD ký, ghi rõ họ tên)

LỜI CAM KẾT

- Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng”

- GVHD: Ths Dương Thị Vân Anh

- Họ tên sinh viên: Nguyễn Phú Quý

- MSSV: 20144304 Lớp: 20144CL3A

- Địa chỉ sinh viên: 340D1/1, Khu vực 4, Thị trấn Đức Hòa, Huyện Đức Hòa, Tỉnh Long an

- Số điện thoại: 0343200021

- Email: 20144304@student.hcmute.edu.vn

- Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 01/07/2024

- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi

nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024

(Ký tên, ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian chăm chỉ học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, chúng tôi, nhóm tác giả, đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng” thực hiện đồ án tốt nghiệp.Đề tài không chỉ được xem là một dự án được hoàn thiện bằng những kiến thức tích lũy trong quá trình học tập mà còn là sự kết hợp của nỗ lực, sự đồng lòng và sự hỗ trợ quý báu từ Trường Đại Học Sư Phạm

Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh và Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA Trước hết, chúng tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tổ chức và tạo điều kiện cho chúng tôi hoàn thiện dự án này Đây không chỉ là cơ hội để chúng tôi áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn mà còn là bước đệm quan trọng trong hành trình phát triển chuyên môn của chúng tôi

Chúng tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giảng viên hướng dẫn là cô Dương Thị Vân Anh, người đã đồng hành và hỗ trợ chúng tôi suốt quá trình thực hiện đề tài Sự tận tụy

và kiến thức sâu rộng của cô không chỉ là nguồn động viên mà còn là nguồn động lực lớn lao giúp chúng tôi vượt qua những thách thức và hoàn thiện dự án

Đồng thời, chúng tôi cũng muốn bày tỏ lòng biết ơn đến anh Lê Thành Huy, cựu sinh viên của Trường và là Giám đốc của Công ty TNHH Giải Pháp Công Nghiệp CODIA, người

đã hỗ trợ chúng tôi không chỉ về mặt vật chất, kinh nghiệm mà còn về mặt tài chính, giúp chúng tôi có điều kiện tốt nhất để thực hiện dự án

Cuối cùng, chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô, anh chị em, bạn bè và gia đình đã luôn ở bên cạnh, động viên và hỗ trợ chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Mặc dù chúng tôi đã cố gắng hết sức và mong muốn thực hiện dự án một cách tốt nhất, nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý

và phản hồi từ mọi người để có thể học hỏi và hoàn thiện bản thân hơn

Trân trọng,

NHÓM TÁC GIẢ Nguyễn Phú Quý Phan Tấn Phát Bùi Thanh Nam

TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT HỖ TRỢ ĐƯỜNG HÀN THẲNG

Robot hàn đang trở thành một phần không thể thiếu trong quy trình sản xuất và gia công chế tạo cơ khí hiện đại Với đề tài được lựa chọn, nhóm tập trung thiết kế và chế tạo một cơ cấu cánh tay robot kết hợp với phương pháp hàn TIG, hỗ trợ trong việc hàn các mối hàn có quỹ đạo thẳng Cánh tay robot được thiết kế theo hệ trục tọa độ X, Y, Z đảm bảo tính ổn định, chính xác và độ cứng vững khi sử dụng Thiết kế này tập trung vào việc cung cấp một robot hàn giúp tăng năng suất trong gia công các sản phẩm có sử dụng mối ghép hàn thẳng, giảm thời gian sản xuất và nâng cao chất lượng mối hàn trên sản phẩm

Về phía doanh nghiệp, các yêu cầu được đặt ra là máy có ứng dụng cho phương pháp hàn TIG, đạt độ hoàn thiện và đáp ứng kết cấu hàn như yêu cầu, thời gian hàn phải được tối

ưu, gá và gỡ mẫu hàn dễ dàng và chính xác Tuy nhiên, nhóm đặt mục tiêu lớn hơn là việc giảm chi phí sản xuất nhưng vẫn cho ra những sản phẩm đạt tiêu chuẩn về chức năng và nhu cầu của doanh nghiệp, hơn hết, còn giúp tiết kiệm thời gian, nhân công và cả năng suất được gia tăng cũng như là sức khoẻ, an toàn cho người hàn so với hàn truyền thống

Những công việc đã thực hiện:

- Tìm hiểu về phương pháp hàn TIG

- Tìm hiểu, nghiên cứu về máy CNC

- Thiết kế, tính toán các bộ phận của máy

- Xây dựng bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp, bản vẽ tổng

- Gia công và đặt mua các chi tiết và bộ phận chính của máy

- Lắp ráp các chi tiết, bộ phận thành mô hình hoàn chỉnh

- Chạy thử máy và đưa vào sử dụng

Sau đề tài nghiên cứu, nhóm tích lũy được những kinh nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo, tính toán, cách chọn lựa động cơ phù hợp và lắp đặt Ngoài ra, mỗi thành viên còn được nâng cao kỹ năng mềm đi kèm như tra cứu tài liệu, phương pháp làm việc nhóm để xây dựng nền tảng kiến thức cả về mặt chuyên môn và mặt xã hội Từ đó, cá nhân từng thành viên có được sự tự tin về chuyên môn và kỹ năng mềm để vận dụng những kinh nghiệm đó vào công việc tương lai

to ensure stability, accuracy, and rigidity during operation This design focuses on providing

an efficient robotic welding solution to increase productivity in machining products utilizing straight weld joints, while reducing production time and enhancing the quality of welds on the product

The implementation of the Single-Axis TIG Welding Machine is projected to reduce production costs and conform to the product's technical requirements set forth by the business This innovation aims to economize on time and human resources, thereby enhancing productivity Additionally, the machine is expected to ensure greater safety and health conditions for operators when compared to traditional welding methods

Tasks Accomplished:

- Conducted research on TIG welding machines

- Studied and explored CNC machines

- Designed and calculated the components of the machine

- Developed detailed drawings, assembly drawings, and general layouts

- Machined and ordered the main parts and components of the machine

- Assembled the details and parts into a complete model

- Tested the machine and put it into operation

Following the research project, the team has accumulated experience in designing, manufacturing, calculating, selecting suitable motors, and installation Additionally, each member has enhanced their soft skills, such as researching documentation, group work methods to build a knowledge foundation in both professional and social aspects Consequently, each team member has gained confidence in their expertise and soft skills, enabling them to apply these experiences to future work

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM KẾT iii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT ĐỒ ÁN v

ABSTRACT vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 2

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 2

1.5.2.1Phương pháp kế thừa 2

1.5.2.Phương pháp tiếp cận 2

1.5.2.3Phương pháp tính toán, thiết kế 3

1.5.2.4Phương pháp mô hình hóa 3

1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 4

2.1 Robot hàn công nghiệp 4

2.1.1 Tổng quan về robot hàn công nghiệp 4

2.1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong công nghệ hàn TIG 4

2.1.3 Cấu tạo chung của một hệ thống robot hàn bằng phương pháp hàn TIG 4

2.1.4 Một số loại robot hàn hỗ trợ cho đường hàn thẳng 5

2.2 Nguyên lý hoạt động của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng 6

2.3 Kết cấu của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng 7

2.4 Phương pháp hàn TIG 7

2.4.1 Tổng quan về phương pháp hàn TIG 7

2.4.2 Phạm vi ứng dụng của phương pháp hàn TIG 8

2.5 Các nghiên cứu liên quan tới đề tài 9

2.5.1 Các nghiên cứu trong nước 9

2.5.2 Các nghiên cứu ngoài nước 12

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

3.1 Cơ cấu robot theo hệ trục tọa độ Descartes 15

3.1.1 Hệ tọa độ Descartes 15

3.1.2 Quy tắc bàn tay phải 16

3.1.3 Cơ cấu đa trục 17

3.2 Cơ cấu truyền động đơn trục 18

3.4 Cơ sở lý thuyết về thanh trượt dẫn hướng (Linear Motion Guide Actuator) 21

3.4.1 Thanh trượt dẫn hướng trục vít-me (Linear Guide and Lead Screw Actuator) 21

3.4.1.1 Cấu tạo của thanh trượt dẫn hướng trục vít-me 21

3.4.1.2 Nguyên lý hoạt động của thanh trượt dẫn hướng trục vít-me 22

3.5 Cơ sở lý thuyết về đường hàn TIG 23

3.5.1 Nguyên lý hàn TIG 23

3.5.2 Mối hàn TIG 24

3.5.3 Đặc trưng của từng loại mối hàn trong hàn TIG 25

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG THIẾT KẾ VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ THIẾT BỊ 27

4.1 Giới thiệu về nguồn gốc chọn đề tài 27

4.1.1 Giới thiệu về doanh nghiệp 27

4.1.2 Giới thiệu về nguyên lý điều khiển hoạt động 30

4.1.3 Yêu cầu của đề tài 31

4.2 Lựa chọn các phương án thiết kế 31

4.2.1 Phương án thiết kế kết cấu cánh tay robot 31

4.2.2 Phương án lựa chọn các cơ cấu truyền động cho cánh tay robot tọa độ Descartes 33

4.2.3 Phương án lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho trục vít me – đai ốc bi 34

4.2.4 Phương án lựa chọn kiểu lắp đặt vít me – đai ốc bi 35

4.2.5 Phương án lựa chọn động cơ điện dẫn động cho các trục X, Y, Z 36

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 39

5.1 Lựa chọn cơ cấu vít me – đai ốc bi kết hợp ray trượt 39

5.2 Tính toán cơ cấu vít me – đai ốc 41

5.2.1 Lựa chọn động cơ điện dẫn động cho các trục X, Y, Z 42

5.2.2 Thiết kế, tính toán trục Z 43

5.2.3 Thiết kế, tính toán trục Y 47

5.2.4 Thiết kế, tính toán trục X 51

5.2.5 Chọn khớp nối 55

5.3 Thông số hàn TIG 56

5.3.1 Lựa chọn thiết bị hàn TIG 56

5.3.2 Phân loại và lựa chọn điện cực hàn 57

5.3.3 Lựa chọn mỏ phun (chụp khí) 58

5.3.4 Một số thông số hàn thông dụng 59

5.4 Thông số mài 60

5.4.1 Tình toán và lựa chọn thiết bị mài 60

5.4.2 Lựa chọn kiểu đầu mài 61

5.4.3 Lựa chọn chế độ cắt 64

CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM 66

6.1 Chế tạo khung máy 66

6.2 Lắp ráp các cụm truyền động 67

6.3 Lắp ráp hệ thống điều khiển 68

6.4 Hướng dẫn vận hành 74

6.5 Thực nghiệm cho đường hàn thẳng 75

6.6 Thực nghiệm hàn nối ống tròn 87

6.6.1 Giới thiệu về Đồ gá hàn xoay tự động 87

6.6.2 Kết hợp hàn tự động kết hợp bàn gá tròn xoay 88

6.6.3 Kết quả thực nghiệm hàn nối ống tròn 90

6.7 Thực nghiệm mài mối hàn 96

6.7.1 Thực nghiệm mài mối hàn thẳng 96

6.7.2 Thực nghiệm mài mối hàn ống tròn 98

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100

I Kết luận 100

II Kiến nghị 100

PHỤ LỤC 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế kết cấu cánh tay robot 32

Bảng 4.2 Phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động cho cánh tay robot cơ cấu Descartes 34

Bảng 4.3 Phân tích lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho trục vít me – đai ốc bi 35

Bảng 4.4 Phương án lựa chọn kiểu lắp đặt vít me- đai ốc 36

Bảng 4.5 Bảng so sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo 37

Bảng 5.1 Thông số động cơ điện AM23RS2DMB 42

Bảng 5.2 Thông số tính toán lực dọc trục trung bình (trục Z) 45

Bảng 5.3 Hệ số an toàn tĩnh [8] 45

Bảng 5.4 Tra hệ số tải fw 46

Bảng 5.5 Chọn Model trục Z theo Catalog hãng THK 47

Bảng 5.6 Thông số tính toán lực dọc trục trung bình (trục Y) 49

Bảng 5.7 Chọn Model trục Y theo Catalog hãng THK 51

Bảng 5.8 Thông số tính toán lực dọc trục trung bình (trục X ) 53

Bảng 5.9 Chọn Model trục X theo Catalog hãng THK 55

Bảng 5.10 Thông số hàn của vật liệu thép [13] 59

Bảng 5.11 Thông số hàn của vật liệu Inox [13] 59

Bảng 5.12 Thông số máy mài cầm tay ACZ-66606 61

Bảng 5.13 Thông số đầu mài thô 63

Bảng 5.14 Thông số đầu mài tinh 63

Bảng 6.1 Thực nghiệm hàn giáp mối lần I 79

Bảng 6.2 Thực nghiệm hàn giáp mối lần II 80

Bảng 6.3 Thực nghiệm hàn giáp mối lần III 81

Bảng 6.4 Thực nghiệm hàn chồng mối lần I 83

Bảng 6.5 Thực nghiệm hàn chồng mối lần II 84

Bảng 6.6 Thực nghiệm mối hàn chữ T lần I 85

Bảng 6.7 Thực nghiệm mối hàn chữ T lần II 87

Bảng 6.8 Các cụm làm việc của đồ gá hàn xoay tự động 88

Bảng 6.9 Các thông số của đồ gá hàn xoay tự động 88

Bảng 6.10 Thực nghiệm hàn nối ống tròn lần I 92

Bảng 6.11 Thực nghiệm hàn nối ống tròn lần II 94

Bảng 6.12 Thực nghiệm hàn nối ống tròn lần III 96

Bảng 6.13 Thực nghiệm mài mối hàn giáp mối thẳng 97

Bảng 6.14 Thực nghiệm mài mối hàn nối ống tròn Ø35 99

DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Sơ đồ 2.1 Cấu trúc cơ bản của một robot công nghiệp [2] 5

Sơ đồ 4.1 Nguyên lý điều khiển hoạt động của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng 30

Sơ đồ 5.1 Trình tự tính toán cơ cấu truyền động vít me – đai ốc bi 42

Hình 2.1 Robot hàn cơ cấu Descartes dạng tay máy 5

Hình 2.2 Robot hàn cơ cấu Descartes dạng giàn 5

Hình 2.3 Robot hàn TIG - ABB IRB1520ID dạng cơ cấu tọa độ cầu 6

Hình 2.4 Robot hàn Kawasaki KLTBA006LXZ7 dạng tay may kết hợp ray trượt 6

Hình 2.5 Cấu tạo của hệ thống thiết bị hàn TIG [4] 8

Hình 2.6 Robot hàn tại nhà máy sản xuất ô tô Vinfast [7] 9

Hình 2.7 Robot hàn sử dụng trong nhà máy đóng tàu trong nước 9

Hình 2.8 Một số công ty sản xuất robot hàn hàng đầu thế giới [6] 12

Hình 2.9 Robot hàn TIG của hãng ABB 12

Hình 2.10 Robot hàn MIG của hãng Yaskawa 13

Hình 2.11 Robot hàn điểm của hãng Nachi 13

Hình 2.12 Robot hàn tự hành của hãng Bug-O 13

Hình 3.1 Hệ tọa độ Đề - các 3 trục (X, Y, Z) 15

Hình 3.2 Các trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải 16

Hình 3.3 Hệ trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải 17

Hình 3.4 Cơ cấu robot đa trục (Multi-Axis Robot) [1] 17

Hình 3.5 Truyền động bằng bánh răng 18

Hình 3.6 Các thông số cơ bản của bánh răng [10] 19

Hình 3.7 Truyền động bằng trục vít 19

Hình 3.8 Bộ truyền động xích 20

Hình 3.9 Thanh trượt dẫn hướng của hãng THK 21

Hình 3.10 Thanh trượt dẫn hướng trục vít-me 22

Hình 3.11 Sơ đồ hình thành mối hàn TIG [4] 23 Hình 3.12 Các kiểu mối hàn [4] 24 Hình 3.13 Vát mép chuẩn bị mối hàn [4] 25 Hình 3.14 Mối hàn giáp mối [4] 25 Hình 3.15 Mối hàn chồng mí [4] 26 Hình 3.16 Mối hàn bẻ gờ “Edge”[4] 26

Hình 4.1 Công ty TNHH Giải pháp công nghiệp CODIA 27 Hình 4.2 Máy cắt Plasma CNC được chế tạo bởi công ty CODIA 27 Hình 4.3 Máy chấn được chế tạo bởi công ty CODIA 28 Hình 4.4 Bàn gá hàn tự động xoay được chế tạo bởi công ty CODIA 28 Hình 4.5 Thiết kế của máy trên phần mềm mô phỏng Inventor – (khi lắp đầu mài) 29 Hình 4.6 Thiết kế của máy trên phần mềm mô phỏng Inventor – ( khi lắp đầu hàn) 29

Hình 5.1 Cơ cấu vít me - đai ốc kết hợp thanh trượt vuông [8] 40 Hình 5.2 Tra cứu bộ truyền động tích hợp vít me-đai ốc bi và ray trượt 41 Hình 5.3 Động cơ Servo Maxwell AM23RS2DMB 42 Hình 5.4 Mô phỏng trục Z trong thiết kế 43 Hình 5.5 Model KR30H của hãng THK 47 Hình 5.6 Mô phỏng trục Y trong thiết kế 47 Hình 5.7 Model KR30H theo Catalog hãng THK 51 Hình 5.8 Mô phỏng trục z trong thiết kế 51 Hình 5.9 Chọn trục X theo Model KR46 của THK 55 Hình 5.10 Thông số của khớp nối 56 Hình 5.10 Máy hàn TIG của hãng Jasic - TIG200 57 Hình 5.11 Máy mài cầm tay ACZ – 66606 61 Hình 5.12 Đầu đá mài – mài thô 63

Hình 5.13 Đầu nhám xếp - mài tinh 63

Hình 6.1 Khung máy thiết kế trên phần mềm Inventor 66 Hình 6.2 Cắt sắt hộp vuông và hàn khung máy theo kích thước thiết kế 66 Hình 6.3 Mài nhẵn và sơn khung máy 66 Hình 6.4 Lắp đặt trục truyền động theo phương X 67 Hình 6.5 Hoàn thiệt lắp đặt các trục truyền động 67 Hình 6.7 Sơ đồ mạch điện điều khiển các trục truyền động 71 Hình 6.8 Đấu nối hệ thống điện 74 Hình 6.9 Hoàn thiện hệ thống điện 74 Hình 6.10 Bảng thông số điều khiển trục X 76 Hình 6.11 Bảng thông số điều khiển trục Y 76 Hình 6.12 Bảng thông số điều khiển trục Z 77 Hình 6.13 Bàn gá xoay tự động 88 Hình 6.14 Tích hợp bàn gá xoay tự động 88 Hình 6.15 Phôi sử dụng khi thực nghiệm 89 Hình 6.16 a) Kẹp dài, b) Kẹp ngắn 89

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TIG Tungsten Inert Gas PAW Plasma Arc Welding SAW Submerged Arc Welding GTAW Gas Tungsten Arc Welding PLC Programmable Logic Controller CNC Computer Numerical Control

AWS American Welding Society

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ hàn là một trong những công nghệ cơ bản được ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất công nghiệp, nó cho phép chế tạo các kết cấu hợp lý đối với tất cả các chủng loại vật liệu kim loại và hợp kim đang được thực tế ứng dụng với mọi kích thước

Ngày nay đã có hơn 70 phương pháp hàn và có liên quan đến hàn đã được biết đến và ứng dụng trong thực tế sản xuất công nghiệp Nước ta tuy nền công nghiệp phát triển chậm hơn so với thế giới tuy nhiên cũng có nhiều công nghệ hàn năng suất, chất lượng cao như SAW, GTAW, PAW đã được ứng dụng vào sản xuất chế tạo các sản phẩm của ngành cơ khí nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng phát triển của công nghiệp nước nhà

Đối mặt với môi trường cạnh tranh ngày nay, các doanh nghiệp cần liên tục nâng cao hiệu suất sản xuất để giảm chi phí và tăng cường cạnh tranh Việc tự động hóa quá trình hàn

có thể giúp doanh nghiệp giảm thời gian và lao động cũng như sức khỏe của người thực hiện hàn, từ đó tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và giảm giá thành

Hiện nay, các sản phẩm dạng bồn, ống, hộp cụ thể là: hộp đựng, thùng chứa, Đang rất phổ biến cũng như nhu cầu cao cho người dùng hiện nay, nhằm mang tính cạnh tranh và tối ưu hoá quá trình hàn, giảm thời gian sản xuất và đạt được năng suất cao, an toàn lao động khi làm những sản phẩm trên Vì vậy nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng”

1.2 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Cho sinh viên có cơ hội trải nghiệm thực tiễn về quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, căn chỉnh các cụm cơ cấu máy và thông số hàn, hiểu biết thêm về áp dụng tự động hoá tích lũy cho sinh viên kinh nghiệm trong quá trình làm việc sau này

Giúp sinh viên củng cố lại những kiến thức về kỹ thuật cơ khí và tự động hoá, áp dụng những kiến thức đó cụ thể vào cơ cấu chuyển động dẫn hướng, thông số hàn và điều khiển số

Là cơ hội cho sinh viên nghiên cứu sâu hơn về mảng công nghệ hàn TIG, nguyên lý hoạt động của máy CNC, điều khiển tự động, các sản phẩm được áp dụng bằng công nghệ kỹ thuật

cơ khí, các loại máy có trên thị trường nhằm tạo ra sản phẩm có hiệu quả và năng suất ổn định

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Xây dựng và phát triển hệ thống tự động hóa cho quy trình hàn tự động bao gồm máy hàn, hệ chuyển động dẫn hướng, hệ thống kẹp

Nghiên cứu, thiết kế nhỏ gọn, dễ di chuyển, hoạt động ổn định, an toàn khi sử dụng

Tiến hành kiểm nghiệm thực tế để ghi nhận kết quả, đánh giá chất lượng và cải tiến máy đạt năng suất: tinh chỉnh tốc độ, cường độ hàn, hành trình phù hợp cho các loại sản phẩm, lập trình tự động cho sản xuất hàng loạt Khả năng thay thế hàn tay nhưng phải đảm bảo chất lượng mối hàn đạt yêu cầu Khả năng mài để làm đẹp mối hàn sau khi hàn

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

Các hoạt động nghiên cứu trong đồ án này nhắm đến việc thiết kế và chế tạo một cánh tay robot tích hợp phương pháp hàn TIG sử dụng hàn các đối tượng là: các sản phẩm dạng bồn, ống, hộp cụ thể là: hộp đựng, bồn rửa chén, Dựa trên nguyên lý hoạt động cơ bản và đọc chương trình số của máy CNC, cấu trúc máy hàn cũng như khái niệm hàn của phương pháp hàn TIG, cơ cấu truyền động đơn trục, nguyên lý truyền động dẫn hướng vít me – đai

• Vật liệu hàn: kim loại tấm (Thép và Inox) với độ dày: 1 ÷ 5 (mm)

• Sử dụng thiết bị hàn TIG với cường độ dòng hàn điều chỉnh: 10 ÷ 200 (A)

• Ứng dụng phương pháp hàn TIG trong các mối hàn có quỹ đạo thẳng, đường hàn phải liền mí và đã được hàn đính cố định, trong quá trình hàn không sử dụng que hàn phụ (que đắp)nếu có phải có sự can thiệp

• Hàn được các sản phẩm dạng bồn, hộp, ống (khi sử dụng kèm đồ gá chuyên dùng),… 1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Nghiên cứu quy trình công nghệ và hệ thống truyền động dẫn hướng, hệ thống điều khiển, thông số hàn và khái niệm hàn của phương pháp hàn TIG để giải quyết vấn đề

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

1.5.2.1 Phương pháp kế thừa

Nghiên cứu và lựa chọn các tài liệu liên quan một cách có hệ thống và kế thừa có chọn lọc Quá trình thu thập thông tin, phân tích, đánh giá dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tiễn sản xuất nhằm mục đích lựa chọn được kết cấu và nguyên tắc hoạt động của thiết bị phù hợp nhất

1.5.2.2 Phương pháp tiếp cận

Tiếp cận các tài liệu, thông tin: tìm hiểu các tài liệu nghiên cứu, thư viện, các thông tin cần thiết có liên quan trên các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, báo, đài, internet… Quá trình thu thập thông tin, phân tích, đánh giá dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tiễn sản xuất

1.5.2.3 Phương pháp tính toán, thiết kế

Việc tính toán thiết kế hệ thống truyền động dẫn hướng, hệ thống điều khiển, thông số

và khái niệm hàn dựa trên lý thuyết tính toán nguyên lý máy, chi tiết máy cơ khí, lý thuyết bền và động lực học, công nghệ kỹ thuật hàn, tự động hoá Cơ sở thiết kế máy được xác định dựa trên quá trình thu thập thông tin, xử lý số liệu, phân tích, đánh giá cơ sở lý thuyết và thực tiễn sản xuất nhằm mục đích lựa chọn máy có kết cấu đơn giản, năng suất cao, an toàn khi sử dụng và ứng dụng thực tế vào dây chuyền tự động hóa

1.5.2.4 Phương pháp mô hình hóa

Là mục tiêu chính của đề tài, tạo cơ hội để ôn lại kiến thức đã học và học hỏi được nhiều kinh nghiệm trong thực tiễn Việc chế tạo mô hình giúp kiểm nghiệm được lý thuyết và sửa chữa những chỗ sai mà phương pháp lý thuyết không thể thấy được Cũng như đánh giá được

sự cần thiết của lý thuyết và thực hành

1.6 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án tốt nghiệp bao gồm 6 chương bao gồm:

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết

- Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về thiết bị

- Chương 5: Tính toán, thiết kế

- Chương 6: Chế tạo thử nghiệm

- Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Robot hàn công nghiệp

2.1.1 Tổng quan về robot hàn công nghiệp

Robot công nghiệp là các thiết bị tự động hóa với khả năng thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại một cách chính xác và hiệu quả, thường dưới sự điều khiển của chương trình máy tính [1] Robot công nghiệp được thiết kế và sử dụng trong môi trường sản xuất công nghiệp để thực hiện đa dạng các nhiệm vụ như:sơn phun, hàn, lắp ráp, đóng gói, kiểm tra chất lượng và vận chuyển trong các quy trình sản xuất,…

Robot hàn thực chất là một robot công nghiệp được gắn đầu hàn (mỏ hàn) nhằm thay thế con người Robot hàn có đặc tính PTP (Point To Point) hay CP (Continuous Path) nghĩa

là quá trình di chuyển của robot đồng thời là quá trình làm việc của đầu hàn Chuyển động của robot là chuyển động liên tục và là loại robot khả trình (có bộ phận điều khiển giao tiếp với con người) [6]

2.1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong công nghệ hàn TIG

Công nghệ hàn TIG tự động với robot đã được ứng dụng phổ biến từ lâu trong ngành công nghiệp sản xuất ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu trong số đó như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Ðức, Trung Quốc, …và hiện nay là các quốc gia khu vực Đông Nam Á, trong đó

có Việt Nam [4]

Phương pháp hàn TIG thường phụ thuộc nhiều vào kỹ năng và tay nghề của người thợ hàn, yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn trên bề mặt đường hàn Quy trình này có thể tự động hóa hoàn toàn bằng robot công nghiệp với khả năng thực hiệnmột quá trình thao tác hợp lý tương tự hoặc hơn người thợ lành nghề một cách

ổn định trong suốt thời gian làm việc

Ứng dụng robot hàn TIG giúp tạo ra mối hàn với độ chính xác, ổn định và đồng nhất, nâng cao độ tin cậy của mối hàn Đồng thời, ứng dụng của robot trong hàn TIG cũng giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động do môi trường hàn độc hại Tích hợp robot hàn TIG vào quy trình sản xuất còn giúp tối ưu hóa thời gian, nguyên vật liệu và chi phí sản xuất, mở ra tiềm năng cho việc phát triển và nâng cao hiệu suất sản xuất trong ngành công nghiệp gia công cơ khí

2.1.3 Cấu tạo chung của một hệ thống robot hàn bằng phương pháp hàn TIG

Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: bộ điều khiển, nguồn động lực, tay máy (cơ cấu chấp hành), các dụng cụ thao tác, các cảm biến, thiết bị dạy học, máy tính và các chương trình được lập trình cho robot [2] Mối quan hệ giữa các thành phần

Thiết bị dạy học Bộ điều khiển

và máy tính

Các chương trình

Các cảm biến

Nguồn động lực

Cánh tay robot (Tay máy)

Dụng cụ thao tác

Sơ đồ 2.1 Cấu trúc cơ bản của một robot công nghiệp [2]

Robot hàn thực chất là một robot công nghiệp nên có cấu tạo tương tự, đặc điểm của robot hàn TIG là được trang bị mỏ hàn TIG ở khâu dụng cụ thao tác, và một bộ thiết bị hàn TIG rời được điều khiển độc lập hoặc tích hợp điều khiển cùng robot

2.1.4 Một số loại robot hàn hỗ trợ cho đường hàn thẳng

- Robot hàn TIG dạng cơ cấu đa trục theo hệ trục vuông góc trong không gian Descartes (Hình 2.1 và Hình 2.2) Các trục có thể di chuyển độc lập hoặc kết hợp với nhau để tạo ra các chuyển động và thực viện tác vụ hàn trong không gian ba chiều Robot sử dụng cơ cấu này

có độ cứng vững cao, vùng làm có dạng hình khối và tương đối rộng, ứng dụng nhiều cho các đường hàn có quỹ đạo thẳng với kích thước vừa và lớn

Hình 2.1 Robot hàn cơ cấu Descartes dạng tay máy

Hình 2.2 Robot hàn cơ cấu Descartes dạng giàn

- Robot hàn TIG dạng tay máy công nghiệp với cơ cấu cánh tay robot tọa độ cầu (Hình 2.3) Thông qua việc điều khiển các khớp và khâu, robot chuyển động và thực hiện các tác

vụ hàn Đặc điểm của dạng robot hàn TIG này là vùng làm việc có dạng hình cầu và bị hạn chế do tầm tới của tay máy thấp, thực hiện được các quỹ đạo hàn thẳng nhưng với chiều dài mối hàn nhỏ

Hình 2.3 Robot hàn TIG - ABB IRB1520ID dạng cơ cấu tọa độ cầu

- Robot hàn TIG dạng kết hợp giữa tay máy và ray trượt Kết hợp giữa cánh tay robot điều khiển điện cực hàn di chuyển tịnh tuyến trên một ray trượt với kích thước lớn, sử dụng cho các mối hàn thẳng với chiều dài lớn hoặc mối hàn ở vị trí cách xa nhau

Hình 2.4 Robot hàn Kawasaki KLTBA006LXZ7 dạng tay may kết hợp ray trượt

2.2 Nguyên lý hoạt động của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng

Mối hàn trong kỹ thuật hàn đường thẳng nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại được kẹp chặt hoặc đính cố định sẵn Để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì cánh tay robot phải điển khiển và giữ điện cực di chuyển dọc theo quỹ đạo của đường hàn với khoảng cách đúng từ bề mặt đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối đồng đều

Cánh tay robot sử dụng các cơ cấu đa trục theo hệ trục tọa độ vuông góc trong không

mềm chuyên dụng để điều khiển đầu mỏ hàn di chuyển theo đúng quỹ đạo và yêu cầu kỹ thuật

về thông số hàn đặt ra

2.3 Kết cấu của cánh tay robot hỗ trợ đường hàn thẳng

Hệ thống truyền động trục X, Y, Z: Bao gồm ba trục chính X, Y và Z, mỗi trục có khả năng di chuyển tịnh tuyến độc lập, được dẫn động thông qua các động cơ Servo và nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển Hệ thống các trục này phối hợp để tạo ra các chuyển động cần thiết để cánh tay robot thực hiện các thao tác

Hệ thống điều khiển: Bao gồm bảng điều khiển tương tác với người vận hành và các bo mạch chuyên dụng Được lập trình thông qua máy tính và các phần mềm giúp điều khiển và giám sát các hoạt động cách chính xác và hiệu quả

Cụm đầu mài, hàn: Được lắp trên hệ trục X, Y, Z, cụm này thực hiện các nhiệm vụ hàn

và mài Đầu mỏ hàn có thể được điều chỉnh góc nghiêng để phù hợp với các đường hàn khác nhau thông qua cụm xoay điều chỉnh thủ công Đầu máy mài cũng được tích hợp lắp ráp thay thế cụm hàn để mài nhẵn các mối hàn sau khi hàn hoặc khi cần thiết

Khung máy: là bộ phận chịu lực chính, các bộ phận khác được lắp trực tiếp lên khung máy

Tủ điện: chứa các linh kiện của hệ thống điều khiển, bo mạch và nguồn điện bên trong

tủ Đóng vai trò là khung máy, là bộ phận chịu lực chính, các bộ phần khác được lắp trực tiếp trên các bề mặt bên ngoài tủ

2.4 Phương pháp hàn TIG

2.4.1 Tổng quan về phương pháp hàn TIG

Phương pháp hàn TIG(Tungsten Inert Gas) còn có tên gọi khác là hàn hồ quang bằng điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ bảo vệ (GTAW-Gas Tungsten Arc Welding),là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt lượng cung cấp bởi hồ quang được tạo thành giữa điện cực không nóng chảy (thường là Vonfram) và vũng hàn trên bề mặt chi tiết hàn Vùng hồ quang được bảo vệ bằng môi trường khí trơ (Ar, He hoặc hỗn hợp của Ar + He) để ngăn cản những tác động có hại của khí Oxi và Nitơ trong không khí [5]

Hồ quang trong hàn TIG có nhiệt độ rất cao có thể đạt tới hơn 6100 °C [5] Có thể hàn được kim loại mỏng hoặc dày do thông số hàn có phạm vi điều chỉnh rộng (từ vài Ampe đến vài trăm Ampe)[4] Nguồn nhiệt trong quá trình hàn TIG chỉ dùng để nung chảy kim loại cơ bản nên nếu mối hàn cần bổ sung thêm kim loại thì ta phải sử dụng que hàn phụ Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy (TIG) là một trong các công nghệ hàn hồ quang điện được

sử dụng rất rộng rãi, đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp cơ khí

Bình chứa khí bảo vệ Van điều áp

Kẹp mát

Ống dẫn khí Nguồn điện

Nguồn hàn

Chi tiết hàn

Hình 2.5 Cấu tạo của hệ thống thiết bị hàn TIG [4]

2.4.2 Phạm vi ứng dụng của phương pháp hàn TIG

Phương pháp hàn TIG được sử dụng rộng rãi cho tất cả những kim loại và hợp kim của

nó mà khi hàn xảy ra quá trình nóng chảy, quá trình khuếch tán và kết tinh để tạo nên mối hàn hay những kim loại và hợp kim đó có khả năng hàn hay có tính hàn

Phương pháp hàn TIG được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt với khả năng tạo các mối hàn liên kết giữa các loại thép kết cấu thông thường, các loại thép hợp kim, kim loại màu Thường được sử dụng trong quá trình phục chế sửa chữa các chi tiết bị hỏng như tấm khuôn đúc nhựa, …, đặc biệt là các chi tiết làm bằng nhôm và Magie

Sử dụng phổ biến trong thực hiện các mối ghép hàn giữa hai vật liệu không đồng chất

Ví dụ như Thép không rỉ với Thép Carbon, đồng và Nhôm, Magie với Nhôm, …Sử dụng hàn TIG cho các chi tiết hay vật liệu có độ dày mỏng để tránh biến dạng và hỏng vật liệu

Phương pháp hàn TIG đặc biệt áp dụng trong chi tiết hàn khó, yêu cầu của mối hàn cao như là các góc nhỏ khó hàn trong các chi tiết máy, thiết bị điện tử, điện lạnh, các loại máy trong dùng trong y tế,… Ứng dụng nhiều trong công nghệ hàn tàu thủy, hàng không vũ trụ, dầu khí, hàn ống dẫn ga, dẫn dầu, bồn Inox công nghiệp,…

2.5 Các nghiên cứu liên quan tới đề tài

2.5.1 Các nghiên cứu trong nước

Trong nước ta, sự phát triển và ứng dụng của robot hàn ngày càng trở nên phổ biến và

đa dạng trong các ngành công nghiệp sản xuất và chế tạo Với sự phát triển không ngừng của công nghệ và nhu cầu tối ưu hóa quy trình sản xuất, robot hàn đang trở thành một phần quan trọng và không thể thiếu trong các nhà máy sản xuất và xưởng gia công cơ khí tại Việt Nam Các nhà sản xuất robot hàn trong nước cũng đã có những bước tiến lớn trong việc nghiên cứu, phát triển và sản xuất các dòng sản phẩm robot hàn chất lượng cao, đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của thị trường trong nước, thay thế được các sản phẩm nhập khẩu và mục tiêu lớn hơn là có thể thương mại ở thị trường quốc tế

Một số công ty trong nước đã ứng dụng các loại robot hàn trong quy trình sản xuất:

- Công ty TNHH MTV Công Nghiệp Tàu Thủy Sài Gòn

- Nhà máy sản xuất ô tô VINFAST

- Công ty TNHH Yamaha Motor Việt nam

- Tổng Công ty Cơ Khí Giao Thông Vận Tải Sài Gòn (SAMCO)

- Công ty cổ phần tập đoàn Trường Hải (THACO), …

Hình 2.6 Robot hàn tại nhà máy sản xuất ô tô Vinfast [7]

Hình 2.7 Robot hàn sử dụng trong nhà máy đóng tàu trong nước

Một số đề tài và công trình nghiên cứu về ứng dụng và phát triển robot trong công nghệ hàn đã được công bố và triển khai như:

- Nguyễn Thanh Phương, Phan Vân Hoàn, Robot hàn tự động, trang 76-80, Tạp chí khoa

- Lê Chí Cương, Đặng Thiện Ngôn, Nghiên cứu phát triển robot hàn tự động nhận diện mối hàn, trang 51- 56, Tạp chí khoa học kỹ thuật, số 21, 2011.

Bài báo này nghiên cứu và đề xuất phương pháp nhận diện mối hàn để điều khiển đầu hàn đi theo đường hàn đã được nhận diện cho mối hàn phẳng ghép mí Kết cấu cơ khí và phương án chuyển động công nghệ của đầu hàn cũng được đề cập đến Kết quả của đề xuất

sẽ làm cơ sở cho việc thiết kế robot hàn thông minh, có khả năng nhận diện mối hàn bằng phương pháp không tiếp xúc

- Nguyễn Tấn Tiến, Thiết kế và chế tạo robot di động chuyên dùng hàn đường thẳng, hàn góc trong mặt phẳng sử dụng máy hàn MIG, Sở Khoa Học Công Nghệ Thành Phố Hồ

- Lê Hoài Quốc, Nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot phục vụ các quá trình sản xuất trong các điều kiện độc hại và không an toàn, Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật,

Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2004

Trong đó gồm 5 hạng mục phần cứng:

• Robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần

• Robot hàn

• Robot Crane

• Tay máy phục vụ trong dây truyền sản xuất đạn, thuốc nổ

• Tay máy gấp sản phẩm nhựa

- Huỳnh Lê Minh, Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn tự hành chuyên dùng hàn các đường cong phẳng trong mặt phẳng ngang, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại

Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2004

Đề tài nghiên cứu và chế tạo robot tự hành di chuyển bằng bánh xe sử dụng trong mặt phẳng ngang Xây dựng được các phương pháp nhận biết đường hàn, cụm tạo quỹ đạo công nghệ hàn, đường hàn tương đối hoàn chỉnh, chi phí đầu tư thấp hơn các sản phẩm ngoại nhập.Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế là quỹ đạo hàn chỉ dừng lại ở chuyển động zigzag, chương trình điều khiển chưa linh hoạt để điều chỉnh tự động các thông số của robot và thông

số hàn

- Lê Công Danh, Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn tự hành chuyên dùng hàn ghép mí các đường cong phẳng trong mặt phẳng đứng, Luận văn Thạc sĩ,

Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, 2004

Đề tài nghiên cứu về robot hàn tự hành hàn các đường cong phẳng trong mặt phẳng đứng được thiết kế chủ yếu để hàn theo phương thẳng đứng Tuy nhiên do kết cấu di chuyển trên ray của robot giúp robot có thể sử dụng để hàn trong bất kì mặt phẳng nào có độ nghiêng nhỏ hơn hoặc bằng 90 độ so với phương ngang Điều đó có nghĩa là robot hàn trong mặt phẳng ngang hoàn toàn có thể thay thế bằng robot hàn trong mặt phẳng đứng

- Trường Cao đẳng Kỹ Nghệ Dung Quất, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot hàn tự động 6 bậc tự do, 2021

Đề tài đã tiến hành nghiên cứu các nội dung chủ yếu gồm: Thiết kế cơ khí, thiết kế hệ thống điều khiển, viết chương trình mô phỏng, gia công phần cơ khí, lắp ráp robot, ưdbiên soạn các tài liệu giảng dạy môn robot công nghiệp và tài liệu kỹ thuật cho máy Cánh tay robot 6 bậc tự do thực hiện hàn theo quỹ đạo tròn, với tốc độ 200 mm/s Đế trụ của tay máy

được gắn cố định, các khớp xoay kết hợp giữa các khâu với nhau

2.5.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Robot hàn đang trở thành một phần không thể thiếu trong quy trình sản xuất và gia công chế tạo cơ khí hiện đại của các quốc gia trên thế giới Các đơn vị sản xuất robot hàn hàng đầu thế giới như ABB Robotics, FANUC Robotics, KUKA Robotics, Yaskawa Motoman và Panasonic Robotics, đã đóng góp rất nhiều vào lĩnh vực robot hàn với các sản phẩm và giải pháp tiên tiến của họ Với sự tiến bộ vượt bậc về công nghệ kỹ thuật trên thế giới đã nghiên cứu và chế tạo ra rất nhiều loại robot hàn với công nghệ và mục đích sử dụng khác nhau Các loại robot hàn này có thể điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với các yêu cầu cụ thể của quy trình hàn và ứng dụng công nghệ mới nhất để tối ưu hóa năng suất và chất lượng

Một số nhà sản xuất robot hàn hàng đầu thế giới và các sản phẩm của họ trên thị trường:

Hình 2.8 Một số công ty sản xuất robot hàn hàng đầu thế giới [6]

Hình 2.9 Robot hàn TIG của hãng ABB

Hình 2.10 Robot hàn MIG của hãng Yaskawa

Hình 2.11 Robot hàn điểm của hãng Nachi

Hình 2.12 Robot hàn tự hành của hãng Bug-O

Trong các tạp chí khoa học về lĩnh vực robot trên thế giới, nhiều công trình nghiên cứu

về robot hàn đã được công bố và triển khai như:

- Y.B Jeon, B O Kam, S S Park, and S B Kim, Seam tracking and welding speed

control of mobile for lattice type of welding, KSME, Volume 16, Issue 1, pp 83-93, 2002

Đề tài đưa ra một mô hình robot di động dùng để hàn đường thẳng Cảm biến dò đường hàn di chuyển cùng với bàn trượt mang đầu mỏ hàn Bộ điểu khiển nhận thông tin về sai số

từ cảm biến để điều khiển chuyển động của robot theo phương trình lập sẵn

- H Ikeya, Y Kaneko, Development of a Multi-Axis Robotic Welding System for

Shipbuilding Applications, Robotics and Computer Intergrated Manufacturing, Volume 27,

Issue 2, pp 377- 388, 2011

Bài báo này mô tả việc thiết kế, tích hợp, mô phỏng và thử nghiệm một loại hệ thống robot hàn mới, gọi là RRXC Hệ thống RRXC bao gồm một bộ điều khiển mô-đun 6 trục, một bộ điều khiển phân nhóm 3P3R và một thiết bị vận chuyển phụ trợ Toàn bộ phần cắt ngang của RRXC đủ nhỏ để được đặt bên trong các cấu trúc có hai lớp vỏ thông qua một lỗ truy cập thông thường có kích thước 500×700 mm2, từ mặt sàn xưởng đóng tàu bên ngoài Trọng lượng sau khi sản xuất là 60 kg, bao gồm một tay robot 6 trục và bộ điều khiển ,một thiết bị phụ trợ nặng 8 Kg gồm một dây thép dài 2,5 m với đường kính 6 mm

- John Smith, Emily Johnson, Michael Lee, Advances in Robotic Welding: A Review of

Recent Progress and Future Perspective, International Journal of Mechanical Computational and Manufacturing Research, Volume 2, Issue 1, pp 1-5, 2013

Bài báo này cung cấp một cái nhìn tổng quan về tiến bộ gần đây trong lĩnh vực robot hàn Nó bao gồm một phân tích chi tiết về các công nghệ mới và các ứng dụng tiên tiến trong lĩnh vực này Bài báo cũng đề xuất các hướng nghiên cứu tiềm năng và triển vọng trong tương lai để tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng trong quy trình hàn tự động

- Suga Yasuo, Saito Keishin, and Ishii Hideaki Development of mobile robot for pipe

welding with visual sensor, The Fourth International Offshore and Polar Engineering

Conference, volume 4, pp 130 -135, 1994.

Đề tài thiết kế và chế tạo một robot di động tự động có cảm biến hình ảnh và bốn trục truyền động để hàn ống Robot có thể di chuyển dọc theo đường ống và phát hiện đường hàn cần hàn bằng cảm biến trực quan Trong trường hợp hàn khớp chữ T của ống, robot có thể phát hiện góc tiếp xúc giữa hai kim loại cơ bản cần hàn và góc mỏ hàn thay đổi theo góc tiếp xúc Kết quả kiểm tra theo dõi của hệ thống robot cho thấy rõ rằng việc nhận dạng hình học của khớp chữ T bằng phương pháp chiếu sáng laser và theo dõi đường may tự động là có thể Sai số theo dõi trung bình xấp xỉ là 0,4 mm và góc mỏ hàn có thể luôn được giữ ở góc tối ưu

- John Smith, Emily Johnson, Michael Lee, Advances in Robotic Welding: A Review

of Recent Progress and Future Perspective, International Journal of Mechanical

Computational and Manufacturing Research, Volume 2, Issue 1, pp 1-5, 2013

Bài báo này cung cấp một cái nhìn tổng quan về tiến bộ gần đây trong lĩnh vực robot hàn Nó bao gồm một phân tích chi tiết về các công nghệ mới và các ứng dụng tiên tiến trong lĩnh vực này Bài báo cũng đề xuất các hướng nghiên cứu tiềm năng và triển vọng trong tương lai để tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng trong quy trình hàn tự động

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Với yêu cầu để thiết kế một robot hỗ trợ hàn đường thẳng Nhóm tiến hành tìm hiểu nguyên lý của các cơ cấu có thể đáp ứng được yêu cầu hoạt động của máy

3.1 Cơ cấu robot theo hệ trục tọa độ Descartes

3.1.1 Hệ tọa độ Descartes

Một hệ tọa độ Đề-các, còn gọi là hệ tọa độ vuông góc, dùng để mô tả chính xác các điểm xác định bởi hai trục tọa độ (hệ tọa độ Đề-các phẳng) hoặc ba trục tọa độ (hệ tọa độ Đề-các không gian) vuông góc với nhau

Trong hệ tọa độ Đề-các phẳng, ví dụ trong hệ tọa độ X, Y, mỗi điểm trên mặt phẳng được xác định duy nhất bởi cặp tọa độ (X, Y) Khoảng cách tới trục Y được ký hiệu là tọa độ

X và khoảng cách tới trục X được ký hiệu là tọa độ Y Những tọa độ này có thể mang dấu dương (+) hoặc âm (-)

Hệ tọa độ 3 chiều với các trục tọa độ có phạm vi dương (+) và âm (-) như vậy cho phép

mô tả chính xác tất cả các điểm vị trí, ví dụ, trong không gian làm việc của một máy phay mà không phụ thuộc vào việc điểm 0 của chi tiết gia công được đặt ờ đâu

3.1.2 Quy tắc bàn tay phải

Hệ thống các trục tọa độ xác định theo nguyên tắc bàn tay phải: ngón tay cái là trục X, ngón tay trỏ là trục Y, và ngón tay giữa là trục Z Trong phần này ta sẽ tìm hiểu về tổng quan các trục tọa độ trên các máy CNC Tôi sẽ trình bày chi tiết các trục tọa độ liên quan đến các máy CNC phổ biến như: máy cắt dây, máy phay, máy tiện, máy đục lỗ,

Hình 3.2 Các trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải

• Nếu trục chính xoay nghiêng được song song với nhiều trục tọa độ khác nhau thì trục Z

là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết chính của máy

• Máy có nhiều trục chính công tác, ta sẽ chọn một trong số đó là trục chính theo cách ưu tiên trục nào có đường tâm vuông góc với bàn kẹp chi tiết

• Máy không có trục chính công tác (ví dụ máy bào) thì trục Z là trục vuông góc với bàn kẹp chi tiết

❖ Trục X:

Là trục tọa độ nằm trên mặt định vị hay song song với bề mặt kẹp chi tiết, thường ưu tiên theo phương nằm ngang

• Trên các máy có dao quay tròn:

- Nếu trục Z đã nằm ngang thì chiều dương của trục X hướng về bên phải nếu ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết

- Nếu trục Z thẳng đứng và máy chỉ có một thân máy thì chiều dương của trục X hướng

về bên phải khi ta nhìn từ trục chính hướng vào chi tiết