Thiết kế robot tay máy hàn

Nội dung luận án gồm có năm chương: Chương 1: Trình bày tổng quan về hàn ma sát khuấy, các loại thiết bị hàn ma sát khuấyhiện đang có trên thị trường và nguyên lý hàn theo đường của tay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tp HCM, tháng 1/2010

i

LỜI CẢM ƠN

Sau gần năm năm ngồi trên ghế giảng đường đại học, để có ngày nhận được quyết địnhlàm luận án tốt nghiệp và hoàn thành luận án này, đó không chỉ là sự cố gắng của riêng bản thân

em mà bên cạnh đó còn có rất nhiều sự ủng hộ, dạy bảo và giúp đỡ của gia đình, thầy cô và bạn

bè, đây thật sự là một chặn đường dài chan chứa bao nổi vui buồn nhưng cùng vô cùng ýnghĩa.Thông qua luận án tốt nghiệp, em xin có lời cảm ơn đến tất cả những người đã quan tâmgiúp đỡ em trong những tháng ngày học đại học:

Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô của trường Đại học Bách Khoa thànhphố Hồ Chí Minh nói chung và các thầy cô trong khoa Cơ khí nói riêng đã dạy dỗ và dìu dắt

em từ những ngày đầu bước vào giảng đường đại học

Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dân TS Trần Thiên Phúc đãtận tình giúp đỡ và chỉ bảo em trong quá trình thực hiện đề tài này

Qua đây, em cũng muốn nói lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là ba mẹ và người thân đãtạo điều kiện tốt để em có thể hoàn thành khoá học

Cuối cùng, xin gởi lời cảm ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ, động viên trong những năm thángcùng nhau học tập tại trường

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Hàn ma sát khuấy là bước tiến quan trọng nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua Đây

là một công nghệ có hiệu quả về năng lượng và thân thiện với môi trường (khi không tiêu thụ khíhàn, tạo bức xạ…) Việc các ưu điểm trên công nghệ hàn đang đặt ra nhu cầu cấp thiết về cáctrang thiết bị máy móc có khả năng đưa công nghệ ứng dụng một cách phổ biến Do đó nghiêncứu thiết kế tay máy cho hàn ma sát khuấy là yêu cầu chính của luận án

Nội dung luận án gồm có năm chương:

Chương 1: Trình bày tổng quan về hàn ma sát khuấy, các loại thiết bị hàn ma sát khuấyhiện đang có trên thị trường và nguyên lý hàn theo đường của tay máy hàn ma sát khuấy

Chương 2: Xác định yêu cầu kỹ thuật, chọn phương án và sơ đồ động cho tay máy Chương 3: Thiết kế phần cơ khí cho tay máy

Chương 4: Kiểm tra và bảo trì cho tay máy

Chương 5: Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu mở rộng đề tài

iii

MỤC LỤC

Đề mục

Trang bìa i

Nhiệm vụ luận án

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt Luận án iii

Mục lục iv

Danh sách hình vẽ vi

Danh sách bảng biểu viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ HÀN MA SÁT KHUẤY 1

1.1Tổng quan tình hình nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài 1

1.2Tổng quan về hàn ma sát khuấy 1

1.3Máy móc, thiết bị hàn ma sát khuấy 6

1.4Mục tiêu của đề tài 15

1.5Kết luận 15

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN NGUYÊN LÝ VÀ SƠ ĐỒ ĐỘNG 17

2.1Các yêu cầu kỹ thuật của đầu hàn ma sát khuấy 17

2.2Lựa chọn nguyên lý hoạt động của tay máy 20

2.3Lựa chọn sơ đồ động của tay máy 26

2.4Kết luận 27

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA TAY MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY 28

3.1Tính toán các chi tiết truyền động cho khâu 3 29

3.1.1Bộ phận gá dụng cụ hàn ma sát khuấy 29

3.1.2Chọn động cơ 29

3.1.3Thiết kế bộ truyền vit me – đai ốc bi 31

iv

3.1.4 Tính toán chọn ổ lăn 37

3.1.5 Tính toán chọn nối trục 40

3.1.6 Tính toán sống trượt 42

3.2 Tính toán các chi tiết truyền động cho khâu 2 45

3.2.1 Chọn động cơ 45

3.2.2 Thiết kế bộ truyền vit me – đai ốc bi 47

3.2.3 Tính toán chọn ổ lăn 50

3.2.4 Tính toán chọn nối trục 55

3.3 Tính toán các chi tiết truyền động cho khâu 1 56

3.3.1 Các thông số đầu vào 56

3.3.2 Chọn động cơ 57

3.3.3 Tính toán lựa chọn bộ truyền bánh răng sóng 59

3.3.4 Tính toán chọn nối trục 62

3.4 Các chi tiết phụ 63

3.5 Dung sai lắp ghép 63

CHƯƠNG 4 BẢO TRÌ TAY MÁY 66

4.1 Bảo trì và kiểm tra 69

4.2 Kết Luận CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 70

5.1 Kết luận 70

5.2 Hướng phát triển của đề tài 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC

v

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Chương 1.

Hình 1.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy

Hình 1.2 Sơ đồ phân tích lực khi hàn

Hình 1.3 Cấu tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy

Hình 1.4 Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang

Hình 1.5 Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng

Hình 1.6 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng

Hình 1.7 Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm

Hình 1.8 Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm

Hinh 1.9 Tay máy robot hàn ma sát khuấy

Hình 1.10 Các bộ phận cấu thành tay máy

Chương 2.

Hình 2.1 Kích thước của dụng cụ hàn ma sát khuấy (hệ inch)

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa lực dọc trục Fz và vận tốc quay khi tốc độ di chuyển là 27ipmHình 2.3 Mối quan hệ giữa Moment Mz và tốc độ di chuyển khi vận tốc quay là 27ipm Hình 2.4 Mối quan hệ giữa Fx và đường kính đầu khuấy

Hình 2.5 Lược đồ cơ cấu phần cánh tay hệ tọa độ trụ

Hình 2.6 Lược đồ cơ cấu phần cánh tay hệ tọa độ vuông góc

Hình 2.7 Lược đồ cơ cấu phần cánh tay hệ tọa độ cầu

Hình 2.8 Lược đồ cơ cấu phần cánh tay hệ tọa độ phỏng sinh

Hình 2.9 Vùng làm việc của tay máy

Hình 2.10 Sơ đồ truyền động của tay máy

Chương 3.

Hình 3.1 Sơ đồ động của tay máy

Hình 3.2 Sơ đồ động của khâu 3

Hình 3.3 Lực phân bố trên trục vit me khi chưa hàn

Hình 3.4 Lực phân bố trên trục vit me khi đầu hàn di chuyển dọc trục vít thuộc khâu 3

Hình 3.5 Lực phân bố trên trục vit me khi đầu hàn di chuyển theo cung tròn

Hình 3.6 Sơ đồ lực tác dụng lên trục vít thuộc khâu 3

Hình 3.7 Sơ đồ lực phân bố trên trục 3

Hình 3.8 Kích thước sống trượt

Hình 3.9 Sơ đồ lực tác dụng lên sống trượt

Hình 3.10 Sơ đồ động của khâu 2

Hình 3.11 Sơ đồ lực tác dụng lên trục vít thuộc khâu 2 khi khâu 3 ở vị trí cao nhấtHình 3.12 Sơ đồ lực tác dụng lên trục vít thuộc khâu 2 khi khâu 3 ở giữa

Hình 3.13 Sơ đồ lực tác dụng lên trục vít thuộc khâu 2 khi khâu 3 ở vị trí thấp nhấtHình 3.14 Sơ đồ lực phân bố trên trục 2

Hình 3.15 Sơ đồ động của khâu 1

Chương 4.

Hình 4.1 Đặt máy trực tiếp xuống nền phân xưởng

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ MSMD042P41N

Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền động

Bảng 3.3 Kích thước cơ bản của nối trục vòng đàn hồi, mm

Bảng 3.4 Kích thước cơ bản của vòng đàn hồi, mm

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của động cơ MSMD042P41N

Bảng 3.6 Đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền động

Bảng 3.7 Kích thước cơ bản của nối trục vòng đàn hồi, mm

Bảng 3.8 Kích thước cơ bản của vòng đàn hồi, mm

Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật của động cơ MSMD082P34N

Bảng 3.10 Đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền động

Bảng 3.11 Thông số đầu vào của bộ truyền bánh răng sóng

Bảng 3.12 Thông số của bộ truyền bánh răng sóng

Bảng 3.13 Kích thước cơ bản của nối trục vòng đàn hồi, mm

Bảng 3.14 Kích thước cơ bản của vòng đàn hồi, mm

Bảng 3.15 Dung sai lắp ghép ổ lăn

Bảng 3.16 Sai lệch giới hạn của chiều rộng và chiều sâu rãnh thenBảng 3.17 Dung sai lắp ghép các chi tiết khác

Bang 4.1 Công tác kiểm tra các chi tiết của tay máy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ HÀN

MA SÁT KHUẤY1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài

Ngày nay vấn đề năng lượng, môi trường, vật liệu chế tạo đang được thế giới quan tâm

Do đó các ngành công nghiệp cũng cần phải nghiên cứu, đổi mới công nghệ sao cho hạn chế tối

đa năng lượng tiêu thụ và chất thải trong sản xuất

Các công nghệ này vừa phải có khả năng tăng năng suất, có nhiều ưu điểm kỹ thuật hơncác công nghệ cũ nhưng cũng phải tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Trong lĩnh vựchàn, các phương pháp hàn hiện đại như hàn hồ quang, hàn khí, … phần nào chưa đáp ứng các yêucầu trên Vì vậy, với phương pháp hàn ma sát khuấy ra đời trong thời gian gần được cho là cónhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp hàn truyền thống đang được nghiên cứu, quantâm nhất hiện nay

Vì là phương pháp hàn còn khá mới mẻ nên các trang thiết bị về hàn ma sát khuấy vẫnchưa phổ biến Trên thế giới, hiện chỉ có hơn 200 doanh nghiệp thiết kế, chế tạo cũng như ứngdụng công nghệ hàn ma sát khuấy Còn tại Việt Nam thì chưa có doanh nghiệp nào đi sâu vào

lĩnh vực này Với tình hình trên, đề tài “Nghiên cứu và thiết kế tay máy hàn ma sát khuấy” là

rất cần thiết trong xu thế hội nhập của Việt Nam hiện nay

1.2 Tổng quan về hàn ma sát khuấy

1.2.1 Nguyên lý hoạt động

Hàn ma sát khuấy (FSW) là phương pháp nối cứng trong đó mối hàn ở trạng thái rắn (kimloại không bị nóng chảy trong suốt quá trình hàn mà chỉ ở trạng thái dẻo) Hàn ma sát khuấyđược nghiên cứu và thực nghiệm bởi John Wayne và các đồng sự tại Viện hàn của Vương quốcAnh (The Welding Institude - TWI) vào tháng 12/1991

Lê Thành Vĩnh

9

Trong hàn ma sát khuấy, một dụng cụ khuấy hình trụ có vai với đầu khuấy có biên dạngđặc trưng vừa xoay vừa tịnh tiến xuống tiếp xúc với bề mặt vật hàn nhằm tạo nguồn nhiệt cầnthiết ban đầu Sau đó, dụng cụ tiếp tục đi xuống vào bên trong vật hàn tại chỗ mối hàn đến khi vaidụng cụ tiếp xúc với bề mặt vật hàn Dụng cụ sẽ dừng di chuyển tại đây trong một khoảng thờigian cần thiết và việc dụng cụ hàn quay sẽ hỗ trợ sự khuấy của kim loại vùng xung quanh đầuhàn, tạo những thay đổi về tổ chức vật liệu và thúc đẩy quá trình biến dạng dẻo mãnh liệt trongvùng khuấy, sau đó dụng cụ di chuyển dọc đường hàn theo hướng hàn để tạo thành mối hàn.

Các vật hàn được kẹp chặt trên các thanh tựa nhằm ngăn cản vùng tiếp giáp bị đẩy táchrời khi đầu dụng cụ quay Chiều dài của đầu khuấy ngắn hơn một chút so với chiều sâu hàn yêucầu và vai dụng cụ cần phải tiếp xúc chặt với bề mặt vật hàn

Hình 1.1 Nguyên lý hàn ma sát khuấy

Các công nghệ được ứng dụng từ hàn ma sát khuấy:

• Quá trình ma sát khuấy xử lý vật liệu (Friction Stir Process)

• Quá trình tạo phản ứng bằng ma sát khuấy (Friction Stir Reaction Process).

1.2.2 Các lực tác dụng lên dụng cụ trong hàn ma sát khuấy

Hình 1.2 Sơ đồ phân tích lực khi hàn

cụ ra khỏi chi tiết theo phương hướng kính và làm võng trục dụng cụ

b F Y: Lực tiếp tuyến (lực cắt chính) hay còn gọi là lực vòng tạo thành moment xoắn vượt qua lựccản cắt Do đó khi tính toán chế độ cắt vùng moment và công suất cắt trung bình xác định theolực vòng trung bình

Fy làm xoắn và cong trục dụng cụ

c F Z: Lực dọc trục làm xê dịch chi tiết theo trục dụng cụ và có xu hướng làm dụng cụ

dịch khỏi ổ trục

1.2.3 Dụng cụ trong hàn ma sát khuấy

Dụng cụ hàn cấu tạo gồm bốn phần sau:

Hình 1.3 Cấu tạo dụng cụ hàn ma sát khuấy

tạo lực quán tính giúp dụng cụ đi tới dễ dàng hơn

tiếp xúc, khống chế vật liệu,… ép vật liệu

và di chuyển vật liệu đó từ trước ra sau dụng cụ khi dụng cụ đi tới, khuấy vật liệu từđỉnh đầu cắt lên phần vai dụng cụ

nhiệt này và lượng nhiệt do ma sát giữ vai dụng cụ với bề mặt vật liệu cộng với lượngnhiệt do quá trình biến dạng dẻo sẽ làm mềm vật liệu xung quanh đầu khuấy

1.2.4 Ưu điểm, nhược điểm

Các ưu điểm của hàn ma sát khuấy (FSW) có được nhờ mối hàn được thực hiện ở trạngthái dẻo tại nhiệt độdưới điểm nóng chảy của vật liệu xác định là vượt trội hơn so với phươngpháp hàn truyền thống:

• Chất lượng mối hàn cao, cơ tính tốt Giảm chi phí gia công bề mặt sau khi hàn

• Hàn được trong tất cả các vị trí trong không gian

• Cải thiện an toàn do không có sự xuất hiện của hơi độc hay văng vật liệu chảy ra khỏimối hàn

• Dễ dàng tự động hóa và khả năng tương thích cho việc sử dụng robot Chi phí lắp đặt

và đào tạo nhân công thấp

Tuy nhiên hàn ma sát khuấy (FSW) cũng có các khuyết điểm sau:

• Để lại lỗ thoát sau khi rút dụng cụ

thay đổi và các đường hàn không thẳng)

1.2.5 Ứng dụng của hàn ma sát khuấy

1.2.5.1 Thế giới

Hiện nay Viện hàn Vương quốc Anh đã cấp giấy phép cho hơn 200 công ty hoạt độngtrong lãnh vực công nghệ và thiết bị hàn ma sát khuấy Do chất lượng mối hàn cao, nên hàn ma

sát khuấy được ứng dụng trong các ngành công nghiệp đặc biệt quan trọng như thùng nhiên liệutàu con thoi, tên lửa đẩy Boeing Deltra II và Delta IV (Boeing Delta II and Delta IV ExpendableLaunch Vehicles), tên lửa Falcon 1…

Năm 2004, hãng ôtô Ford đã sản xuất hơn vài ngàn chiếc Ford GT với việc lắp khungsườn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy và đã cải thiện được sự biến dạng, tăng độ chính xác

về kích thước, vị trí và tăng bền khoảng 30% so với hàn MIG

Ngoài vật liệu nhôm, phương pháp hàn ma sát khuấy cũng đã hàn thành công những vậtliệu như thép, thép không gỉ, đồng, titan…

1.3 Máy móc, thiết bị hàn ma sát khuấy

1.3.1 Tình hình

Theo khảo sát hiện nay, thiết bị hàn được chia làm hai nhóm chính như sau:

- Thiết bị đựợc điều khiển bằng vi xử lý: các tính năng hỗ trợ tương đối đơn giản như phương phápbán tự động thông thường

- Thiết bị đựợc điều khiển bằng máy tính: các tính tăng được hỗ trợ bằng phần mềm máy tính vớicác phương pháp hàn khác nhau Các thông số hàn được ghi nhận và hiện thị trên màn hình máytính.

Các công ty sản xuất máy móc thiết bị hàn ma sát khuấy hiện nay như: CTC, Nova-TechEngineering (Mỹ); TWI (Anh); Hitachi, Mazda (Nhật), …

1.3.2 Các dạng máy móc thiết bị hàn ma sát khuấy

Một số dạng máy hàn ma sát khuấy hiện đang có trên thị trường:

1.3.2.1 Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang

Hình 1.4 Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương ngang

Máy hàn ma sát khuấy được sử dụng để hàn các sản phẩm hàn có dạng tấm phẳng hoặchàn tròn các sản phẩm hình trụ Đây là máy đơn với đầu hàn được lắp vào trục chính nằm ngang.Đầu hàn được thiết kế để đâm vào vật liệu của vật hàn gắn cố định với một cơ cấu bên ngoài ví

dụ như nạnh chống trên máy phay, hoặc gá tùy chọn để hàn các sản phẩm hình trụ Hành trình dichuyển độc lập với máy, do đó cho phép sự linh hoạt tối đa về kích thước hoặc dạng hình học củavật hàn Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi có thể được đưa vào cho phép chuyển động độc lậptương đối với vai dụng cụ

1.3.2.2 Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng

Hình 1.5 Máy hàn ma sát khuấy trục chính phương đứng

Máy có đầu hàn được bố trí theo phương thẳng đứng và bàn máy có một trục chuyểnđộng Máy có hành trình hàn chuẩn dài khoảng 600mm, và đầu hàn có thể được nghiêng thủ công

30 so với bàn gia công Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi có thể được đưa vào cho phép chuyểnđộng độc lập tương đối với vai dụng cụ

1.3.2.3 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng

Hình 1.6 Máy hàn ma sát khuấy năm trục dạng đứng

Máy có khả năng hàn các biên dạng trong không gian Máy có ba trục vuông góc nhau vàhai trục xoay động lực Đầu hàn được lắp theo phương thẳng đứng và gồm có: trục đâm xuống(Z), trục điều chỉnh bước (A), trục lắc ngang (B) Bàn máy hàn cho phép chuyển động theo haiphương X và Y Cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi có thể được đưa vào cho phép chuyển độngđộc lập tương đối với vai dụng cụ

1.3.2.4 Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm

Hình 1.7 Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm

Loại máy này được thiết kế dành cho các sản phẩm hàn dạng tấm rộng, yêu cầu được hàn

mí để tạo tấm lớn hớn Đây là máy hàn một trục với đầu hàn di chuyển theo phương thẳng đứng

Nó có một giường máy cố định Cấu hình tùy chọn bao gồm cả giường di động Máy cơ sở cókích thước tiêu chuẩn: hành trình hàn theo phương X là 3600mm, hành trình theo phương Z là200mm và một giường cố định Hành trình theo phương Y là tùy chọn

1.3.2.5 Máy hàn ma sát khuấy hàn ống dày

Hình 1.8 Máy hàn ma sát khuấy dạng khung hàn vật hàn dạng tấm

Máy có khả năng hàn ống có đường kính từ 300mm đến 600mm Đầu hàn được lắp theophương ngang và gồm trục dò đường hàn (X), trục thẳng đứng (Y), và trục đâm xuống (Z) Máy

có khả năng tạo lực đâm xuống 13700kg và moment xoắn là 34600Nmm Hàn chu vi đường tròn

có thể thực hiện với một tab run-off hoặc cơ cấu đỉnh đầu khuấy có thể lùi cho phép hàn toàn bộquanh ống

1.3.2.6 Hệ thống Robot hàn ma sát khuấy

Trong một số sản phẩm năng suất yêu cầu phải được tối đa hóa hay hàn được theo nhiềuhướng trong không gian Do đó việc phát triển hệ thống robot hàn ma sát khuấy (Robostir) là cầnthiết Hiện nay hệ thống robot hàn đã có khả năng hàn vật có bề dày từ 1mm đến 6mm đối vớihầu hết các hợp kim nhôm, hoặc bề dày lên đến 25mm đối với hợp kim nhôm 6xxx Các phần

mềm ứng dụng cũng được phát triển đồng thời để giúp hệ thống tích hợp có thể thực hiện hàn masát khuấy (FSW), quá trình ma sát khuấy xử lý vật liệu (FSP) và hàn điểm ma sát khuấy (FSSW).Nhờ sự hỗ trợ của các phần mềm mà các thông số hàn, lực, vận tốc dụng cụ khuấy, định vi, cóthể thay đổi, điều chỉnh dễ dàng Hệ thống có thể được tích hợp với thiết bị tự động hoa nhưPLC,

Hinh 1.9 Tay máy robot hàn ma sát khuấy

Một số công ty đã thiết kế, chế tạo và phát triển hệ thống robot hàn thành công như: Friction Stir Link, Inc; …

1.3.3 Các bộ phận cấu thành tay máy

Tay máy gồm các bộ phận: đế đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động, thân, cánh taytrên, cánh tay dưới và bàn kẹp

Bên trong cánh tay máy còn các bộ phận khác như:

• Hệ thống truyền dẫn dẫn động có thể là thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ yếu tạo nên

sự chuyển dịch ở các khớp động

nhận biết được trong quá trình làm việc

• Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt độngcủa bản than tay máy (cảm biến bên trong) và môi trường, đối tượng tay máy phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu).

Các thông tin đặt trước cảm biến ssẽ được đưa vào hệ thống điều khiển sau khi xử lý bằngmáy tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy

Hình 1.10 Các bộ phận cấu thành tay máy

1.3.4 Hàn theo đường hàn của tay máy hàn ma sát khuấy

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên năng suất thấp, chất lượng khôngcao do tính ổn định phụ thuộc vào điều kiện của người công nhân: tay nghề, môi trường làm việc,

… Do đó hệ thống tay máy robot được ứng dụng vào thay thế con người Trong đó con ngườithực hiện việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn Sau đó robot được điều khiển di chuyển dọctheo quỹ đạo hàn lập trình trước Quá trình trên gọi là quá trình theo vết Để có thể thiết kế robothàn theo một đường cho trước ta cần phải tìm hiểu về các phương pháp điều khiển tay máy

Theo dạng kết hợp chuyển động của các chuyển động độc lập trên tay máy, việc điềukhiển tay máy được chia thành các dạng chính sau:

• Hệ điều khiển rời rạc còn gọi là điều khiển theo điểm (point-to-point) gồm hai kiểu đườngdẫn từng đoạn và đường dẫn theo điểm

liên tục và đường dẫn điều khiển

1.3.4.1 Đường dẫn từng đoạn

Đây là dạng đơn giản nhất của hệ điều khiển rời rạc: kiểu điều khiển có phản hồi sử dụngcác cữ chặn hay công tắc hành trình và được sử dụng ở các robot thuôc thế hệ đầu hoạt động theochu kỳ Số điểm được lập trình cho mỗi trục thường là hai: điểm đầu và cuối trên hành trình củatrục

1.3.4.2 Đường dẫn theo điểm

Đây là dạng lập trình được ưa chuộng ở các robot công nghiệp.Ở chế độ huấn luyện, thiết

bị lập trình chính cho robot trong trường hợp này là các panel điều khiển, còn được gọi là pendant Tất cả các điểm lập trình đã được đưa vào trong bộ nhớ sẽ được bộ điều khiển xử lý,tính toán vị trí tay máy với các tọa độ suy rộng Các bộ điều khiển có thể chứa hàng ngàn điểmlập trình, cho phép điều khiển nhanh hơn và điều khiển đồng thời các trục tùy vào bộ nhớ

teach-1.3.4.3 Đường dẫn liên tục

Đường dẫn liên tục là tập hợp tất cả các điểm nằm kế nhau Sự khác nhau giữa điều khiểntừng điểm và đường dẫn liên tục là số lượng các điểm lập trình liên tục và phương pháp lưu cácđiểm lập trình vào bộ nhớ Người lập trình chỉ ra đường dẫn bằng cách sử dụng teach-pendanthay thiết bị lập trình như thiết bị mô phỏng, lập trình bằng cách dắt mũi hoặc bàn phím để kiểmsoát vị trí của máy Nhờ đó các robot nhận được các điểm lập trình trên đường dịch chuyển vàđưa vào trong bộ nhớ Sau đó các điểm này sẽ được đưa ra tuần tự bởi bộ điều khiển cho các trục

của robot khi thực hiện chương trình Quỹ đạo dịch chuyển của robot có thể là đường thẳng haycung tròn.

Robot loại này vượt trội hơn các robot thuộc thế hệ đầu là tạo ra chuyển động êmkhông bịdừng ở điểm nút, đồng thời giảm tối thiểu việc lệch hướng khỏi đường dịch chuyển nhờ chế độđiều khiển servo Robot có đường dẫn liên tục thường được sử dụng trong sơn và hàn

1.3.4.4 Đường dẫn điều khiển

Robot có đường dẫn được điều khiển là hệ thống điều khiển theo điểm được trang bị thêmkhả năng kiểm soát vị trí của tay gắp dịch chuyển giữa các điểm lập trình Phương pháp lập trìnhtương tự như lập trình robot điều khiển từng điểm: dùng teach-pendant ghi nhận từng điểm trênđường dẫn Nhưng khác trường hợp trước, vận tốc dịch chuyển của các trục được điều khiển saocho tỉ lệ thuận với giá trị góc quay của chúng Hầu hết robot có đường dẫn được điều khiển thựchiện việc nội suy đường thẳng cho phép dịch chuyển giữ hai điểm bất kỳ trong vùng không gianhoạt động, nội suy cung tròn để thực hiện quỹ đạo tròn, một số ít có khả năng nội suy các đườngphức tạp như quỹ đạo parabola hay xoắn ốc Các robot loại này hiện nay còn được trang bị khảnăng thực hiện mọi quỹ đạo mà hệ thống CAD vẽ được

1.4 Mục tiêu của đề tài

mặt phẳng

1.5 Kết luận

Các sản phẩm hay các kết cấu được hàn bằng phương pháp hàn ma sát khuấy đóng vai tròquan trọng, có ý nghĩa to lớn trong đời sống và lãnh vực kỹ thuật Việc nghiên cứu thiết bị hàn

ma sát khuấy, trong đó có tay máy robot hàn ma sát khuấy, là rất cấn thiết trong giai đoạn hiệnnay Nó sẽ góp phần đẩy nhanh hơn việc ứng dụng hàn ma sát khuấy trong công nghiệp, gópphần nâng cao năng suất, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Đồng thời việc thiết bị hàn

ma sát khuấy ra đời giúp Việt Nam nhanh chóng tiếp cận với các công nghệ tiên tiến trên thếgiới, phát triển nhanh thành nước công nghiệp hiện đại

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN NGUYÊN LÝ VÀ SƠ ĐỒ ĐỘNG

2.1 Các yêu cầu kỹ thuật của đầu hàn ma sát khuấy

Dựa trên kết quả các thí nghiệm:

• Modelling of friction stir welding for robotic implementation tại Phòng thí nghiệm hàn tự

động của trường đại học Vanderbilt và phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos doReginald Crawford, George E Cook và Alvin M Strauss thực hiện

• Experimental Measurements of Load Distributions on Friction Stir Weld Pin Tools của

sinh viên Aaron Stahl thuộc trường Đại học Bringham Young

Ta có các thông số về quá trình hàn ma sát như sau:

• Vật liệu: thép dụng đã qua nhiệt luyện H13 (tiêu chuẩn AISI)

• Cấu tạo đầu khuấy: trụ trơn, không ren

Hình 2.1 Kích thước của dụng cụ hàn ma sát khuấy (hệ inch)

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa Moment M z và tốc độ di chuyển khi vận tốc quay là 27ipm.

Hình 2.4 Mối quan hệ giữa F x và đường kính đầu khuấy

2.1.1 Vận tốc

2.2 Lựa chọn nguyên lý hoạt động của tay máy

2.2.1 Bậc tự do của tay máy

Số bậc tự do hay số bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của

nó trong không gian độc lập

* Xác định số bậc tự do cho tay máy:

yêu cầu Do đó đầu tác vụ của tay máy, ở đây là bộ phận gá dụng cụ hàn ma sátkhuấy, cần hai bậc tự do để di chuyển trong mặt phẳng

trình gá đặt các tấm hàn, khi dụng cụ bắt đầu tiến xuống đi vào đường hàn  đầutác vụ của tay máy cần thêm một bậc tự do nữa

Đầu hàn có ba bậc tự do hay tay máy cần có ba bậc tự do.

2.2.2 Hệ tọa độ

Các chuyển động của tay máy có thể hoạt động trong các hệ tọa độ khác nhau:

a Hệ tọa độ trụ

Tay máy hoạt động gồm ba chuyển động: hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển độngquay.

Hình 2.5 Lược đồ cơ cấu phần cánh tay hệ tọa độ trụ

* Ưu điểm:

• Kết cấu vững chắc, có khả năng thực hiện tải lớn

• Khả năng lặp lại tốt

* Nhược điểm:

Nhược điểm duy nhất là giới hạn tiến về phía bên trái và phía bên phải do kết cấu cơ khí

và giới hạn kích cỡ của cơcấu tác động theo chiều ngang

b Hệ tọa độ vuông góc

Tay máy hoạt động gồm ba chuyển động tịnh tiến X, Y, Ztheo các trục tọa độ vuông góc

Hình 2.6 Lược đồ cơ cấu phần cánh tay hệ tọa độ vuông góc

* Ưu điểm:

• Đối với các loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công việc khác

* Nhược điểm:

• Việc thêm các loại cần trục hay các thiết bị vận chuyển vật liệu khác không phù hợp lắm

• Việc duy trì các cơ cấu dẫn động và các thiết bị điều khiển gặp nhiều khó khăn

c Hệ tọa độ cầu

Tay máy hoạt động có các chuyển động cơ bản: một chuyển động tịnh tiến, một chuyển động quay ở khớp cầu và một chuyển động quay ở khớp trụ

Hình 2.7 Lược đồ cơ cấu phần cánh tay hệ tọa độ cầu

* Ưu điểm:

Hình 2.8 Lược đồ cơ cấu phần cánh tay hệ tọa độ phỏng sinh.

* Ưu điểm:

* Nhược điểm:

* Lựa chọn: Dựa trên các ưu điểm và nhược điểm của các hệ tọa độ trên, tôi chọn tay máy

hoạt động trong hệ tọa độ trụ vì có nhiều ưu điểm hơn khi thiết kế dạng tay máy loại này.

2.3 Lựa chọn sơ đồ động của tay máy

Dựa trên các đặc tính chuyển động của các bộ phận ta lựa chọn phương án truyền động cho các khâu như sau:

• Khâu (2) chuyển động tịnh tiến so với khâu (1) ta truyền động bằng vít me-đai ốc bi biếnchuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến

• Khâu (3) chuyển động tịnh tiến so với khâu (2) ta truyền động bằng vít me-đai ốc bi biếnchuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến

Hình 2.10 Sơ đồ truyền động của tay máy

Motor

Gear Box

Gear Box

Gear Box

Motor

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA TAY MÁY HÀN MA SÁT KHUẤY

Hình 3.1 Sơ đồ động của tay máy

Motor GearBox

Các thông số lực của đầu hàn ma sát khuấy ta đã xác định trong chương 2:

Hình 3.2 Sơ đồ động của khâu 3

Công suất công tác thực hiện chuyển động của khâu 2:

Với hiệu suất của bộ truyền trục vít tự hãm để hở:kmmmm ổ lăn: ol = 0,99 ; khớp nối:

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ MSMD042P41N

Công

suất

(kW)

Vận tốc quay bình thường (vg/ph) (lớn nhất)

Tỉ số truyền

răng

Ứng dụng

2500P/r incremen tal

17bit absolute/

incremental

Khả năng giữ

Chính xác cao

3.1.3 Thiết kế bộ truyền vit me – đai ốc bi

Tải trọng Fa = 3175N, chiều dài làm việc l0 = 800mm

1 Chọn vật liệu:

Vít – thép có vật liệu thép CrWMn:

Đai ốc có vật liệu là thép 18CrMnTi có độ cứng 58-62HRC

2 Xác định sơ bộ đường kính trong d 3 :

=2550 =

850MPa

(3.5)3