Nghiên cứu hệ thống cấp dây của robot hàn di động

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 T ề 1.1.1 Sơ lược trình phát triển Thuật ngữ robot sinh từ sân khấu, phân xưởng sản xuất Những robot xuất lần New York vào ngày 09/10/1922 “Rossum‟s Universal Robot” nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, từ robot cách gọi tắt từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa công việc lao dịch Những robot thực có ích nghiên cứu vào ứng dụng công nghiệp thực lại tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, năm hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cấu tác động động điện kết hợp với cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo dạng tay máy đôi sử dụng động servo nhận biết lực tác động lên khâu cuối Sử dụng thành đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho đời tay máy hoạt động công việc khảo sát đáy biển Năm 1968 R.S Mosher, thuộc hãng General Electric, chế tạo thiết bị biết có bốn chân, có chiều dài 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động đốt có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.1) Hình 1.1 Robot chân hãng R.S Mosher hãng General Electric Cũng lĩnh vực này, thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đạt vào năm 1970 xe tự hành thám hiểm bề mặt mặt trăng Lunokohod điều khiển từ trái đất (hình 1.2) Hình 1.2 Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1.1.2 Những ứng dụng điển hình robot Robot ứng dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp Những ứng dụng ban đầu bao gồm lắp đặt vật liệu, hàn điểm phun sơn Một công việc suất người rèn kim loại nhiệt độ cao Các công việc đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi xưởng Việc tuyển dụng công nhân làm việc môi trường nhiệt độ cao vấn đề khó khăn ngành công nghiệp này, robot ban đầu sử dụng để thay công nhân làm việc điều kiện môi trường ngặt nghèo lò đúc, xưởng rèn, xưởng hàn, robot nhiệt độ cao lại không đáng sợ Trong nhà máy sản xuất xe hàn điểm công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe cố định vào xe điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy Khi xe đến trạm hàn, kẹp cố định chi tiết vào vị trí cần hàn, robot di chuyển dọc theo điểm hàn lập trình trước (hình 1.3, fanucrobotics.com) Hình1.3 Robot Kuka dây chuyền sản xuất ô tô Hình ảnh sản phẩm ô tô dây chuyền hàn tự động robot Cánh tay robot thực trình hàn Sơn công việc nặng nhọc độc hại sức khoẻ người, lại hoàn toàn không nguy hiểm robot Ngoài ra, người phải hai năm để nắm kỹ thuật kỹ trở thành thợ sơn lành nghề robot học tất kiến thức vài có khả lặp lại cách xác động tác sơn phức tạp Điều thể bước tiến đáng kể việc kết hợp suất chất lượng cải thiện chế độ làm việc cho người môi trường độc hại Tất robot phun sơn „dạy‟ thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun dịch chuyển đường; đường ghi lại; robot thực công việc phun sơn việc theo đường định sẵn Như thế, robot phun sơn phải có khớp cho người thợ sơn dễ dàng dẫn hướng cho chúng Ứng dụng đưa đến phát triển loại tay robot dạng „„vòi voi‟‟ có độ linh hoạt cao Robot sử dụng nhiều lĩnh vực khác phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng khỏi băng tải đặt chúng vào trạm chuyển trung gian Ở mục sau, ba ứng dụng robot công nghiệp khảo sát giai đoạn nghiên cứu khác 1.1.2.1 Ứng dụng robot công nghệ hàn đường (hàn theo vết đường dẫn liên tục) Hình 1.4 Hệ thống robot hàn đường hãng FANUC Hàn đường thường thực tay Tuy nhiên suất thấp yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến thao tác đầu mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt khói nhiệt độ phát trình hàn Không giống kỹ thuật hàn điểm, mối hàn có vị trí cố định, mối hàn kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép hai kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế (hình 1.4) phụ thuộc vào người việc kẹp chặt xác chi tiết hàn, sau robot di chuyển dọc theo quỹ đạo lập trình trước Ưu điểm so với hàn tay chất lượng mối hàn ổn định Người vận hành thực việc tẻ nhạt kẹp chặt chi tiết Có thể thực tăng suất cách trang bị hàn định vị quay nhờ người vận hành kẹp chặt chi tiết thực việc hàn chi tiết khác Tuy nhiên, có vấn đề khó khăn việc lắp khít chi tiết dung sai chế tạo, chi tiết bị cong vênh, thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không đồng dạng Các vấn đề làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt chi tiết lớn lắp kim loại mỏng Hơn nữa, đường hàn không xử lý với mỏ hàn bị che khuất chi tiết khác Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối vị trí chi tiết khác Gần nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị xác, giảm chi phí hàn chất lượng mối hàn lại tăng 1.1.2.2 Ứng dụng robot lắp ráp Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài nhà máy tự động hoàn toàn, thiết kế thể trạm thiết kế máy tính, can thiệp người vào trình sản xuất Hãy thử hình dung môi trường sản xuất tự động hoàn toàn; từ ý tưởng sản phẩm, gồm tiêu kỹ thuật cấp cao, người ta thiết kế sản phẩm; sau đặt vật liệu, lập chương trình gia công, lập chiến lược đường chi tiết nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp kiểm tra tự động thông qua máy gia công CNC robot tĩnh robot di động Những thành tựu môi trường sản xuất đầu tư nghiên cứu phát triển nhiều năm qua Hiện nhà máy lớn đại áp dụng mô hình tự động hoá hoàn toàn, đặc biệt phần thiết kế cấp cao phần xử lý chi tiết cấp thấp Một trở ngại liên kết tầng với Một khó khăn khác nhu cầu phương pháp xuất đặc tả thủ tục từ mô hình máy tính sản phẩm Ví dụ, việc lập cách tự động trình tự lắp ráp chi tiết với khâu lắp ráp Hình 1.5 Hình ảnh robot sử dụng dây chuyền lắp ráp Chi tiết dây chuyền tự động lắp ráp Cánh tay robot lắp ráp di động Việc lắp ráp liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đưa chi tiết vào chi tiết kia, đặt chi tiết chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết vít, hay phun keo, v.v Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể để định có sử dụng robot công đoạn lắp ráp hay không Trong thực tế, sản phẩm thiết kế khéo léo người công nhân lắp ráp sản phẩm thời gian ngắn 1.1.3 Phân loại Robot Có hai phương pháp phân loại robot Một theo tính chất vật lý hay hình học chúng Hai theo cách chúng điều khiển 1.1.3.1 Phân loại theo hình học Ngành công nghiệp dùng thiết kế robot khác với ưu nhược điểm riêng Về bản, robot phải có bậc tự để tiếp cận tới tất điểm không gian Tuy nhiên phải có bậc tự để kẹp vật thể không gian Có loại robot có tính chất không gian làm việc khác nhau, là: Loại có dạng đề (chữ nhật) (x, y, z) Loại có dạng trụ (kiểu trụ) (r, θ, z) Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực) (r, θ, φ) Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo) (θ1, θ2, θ 3) SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn) (θ1, θ2, θ 3) Mỗi loại robot mô tả theo khớp nối bao gồm bậc tự khớp Mỗi khớp mô tả toán học theo hệ toạ độ chúng, mô tả vẽ hệ toạ độ đề Chú ý chuyển động tịnh tiến quay cánh tay Robot bị hạn chế thiết kế robot a) Kiểu đề (hình1.6) Robot kiểu gọi tay máy kiểu giàn, có khớp dịch chuyển theo hướng dạng hình chữ nhật Đây dạng mô hình hoá dạng toán học hệ toạ độ tương ứng với hệ trục toạ độ đề Robot dùng nơi cần độ xác cao, nhiên không gian làm việc hạn chế Hình1.6 Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật b) Kiểu trụ: Robot có khớp quay khớp tịnh tiến, khớp loại ứng với biến hệ toạ độ trụ Chuyển động quay: θ Chuyển độngcao: h Tầm với: r Hình1.7 Robot có không gian làm việc dạng trụ Nếu vị trí điểm tham chiếu tay ký hiệu (θ,h,r), vị trí dễ dàng xác định tất thời điểm, vị trí cho thời điểm, tức (x,y,z) trường hợp bình thường, sau cần thực vài phép biến đổi tay hệ trục toạ độ, áp dụng phép tiếp cận mềm giải toán cho khớp đầu tiên, trục z giống trục thẳng đứng Robot: Z= h Mặt phẳng xy vuông góc với trục z song song với mặt phẳng θ quay (quanh trục z) khoảng cách r x= r cosθ, y = r sinθ Loại robot đa loại đề Tuy nhiên có độ xác thấp 10 c) Loại không gian làm việc hình cầu: Loại robot có khớp tịnh tiến khớp quay, khớp robot tương ứng với biến hệ toạ độ cầu Hình1.8 Robot có không gian làm việc dạng cầu Chuyển động quay: φ1 Chuyển động quay vuông góc với mặt phẳng φ (quay quanh trục z): θ Tầm với: z Để biết vị trí tay robot, phải giữ nguyên giá trị (φ,θ,r) Tuy nhiên có vị trí tay robot dạng (x,y,z), phải thực phép chuyển hệ Theo cách chặt chẽ giống trường hợp robot loại 2, xác định toạ độ khớp (φ, θ, r) phải nằm vị trí tay máy điểm đề cụ thể Phần bổ sung khớp quay thứ tăng tính mềm dẻo 11 robot Tuy nhiên làm giảm độ xác d) Loại robot thứ 4: (hình1.9) Loại có khớp quay Việc chuyển hệ toạ độ sang hệ trục đề phức tạp nhiều trường hợp trước Robot linh hoạt Loại có ưu điểm trường hợp robot phải tiếp cận chi tiết qua vật cản Tuy độ xác thấp tất loại khác Hình1.9 Robot có không gian làm việc dạng trụ e) SCARA:(hình1.10) Loại robot loại có cấu trúc hình học giới thiệu mô hình hóa loại robot Chuyển động khớp quanh trục thẳng đứng Cấu trúc cho độ cứng cần thiết cho robot theo phương thẳng đứng cho phép quay mặt phẳng nằm ngang 12 Hình 3.5b Hình ảnh kết chuyển vị khung Qua kết thu từ việc kiểm tra bền chuyển vị khung cấp dây thấy với hình dạng, kích thước vật liệu tính toán hoàn toàn chấp nhận kết chuyển vị lớn 1,21mm 3.1.2 Thiết kế cấu đẩy dây Thiết kế puli đẩy dây puli dẫn hướng Do hai puli có tác dụng giống nên ta lựa chọn thiết kế cho hai puli Như tác giả phân tích chọn puli đẩy tác giả đưa thiết kế puli đẩy dựa yêu cầu làm việc chi tiết Puli đẩy dây hàn thép bon chế tạo vật liệu thép hợp kim 40X, có kích thước hình học thông số kỹ thuật sau: Đường kính lớn Ф20, chiều dày 5, đường kính lỗ để lắp vào trục bánh chủ động 58 cấu cấp dây có kích thước Ф5, có tạo rãnh then để đảm bảo vững lắp ráp Chu vi puli gia công rãnh hình thang có kích thược vẽ (hình 3.6) 4,5 0,5 60° Ø1 0,5 20 Ø1 Ø 5 Hình 3.6 Bản vẽ kỹ thuật puli đẩy 3.1.3 Thiết kế lăn (bánh tỳ) Con lăn có tác dụng giữ cho dây hàn kẹp vào puli đẩy, puli dẫn hướng quay với puli Đặc điểm yêu cầu chi tiết không chịu lực cao chịu mài mòn ma sát tương đối lớn vật liệu làm lăn phải chịu mài mòn tốt, tác giả chọn vật liệu làm lăn thép 40X, đường kính chiều rộng puli 59 20 Ø Ø5 Hình 3.7 Bản vẽ kỹ thuật lăn Hinh 3.8 Hình biểu diễn vị trí làm việc lăn Trục Bu lông hãm Con lăn Ổ lăn 60 Ø Ø10H7 Ø5k6 2,5 Hình 3.9 Bản vẽ lắp cụm chi tiết lăn (bánh tỳ) 3.1.4 Thiết kế bánh chủ động bánh bị động Tác giả tính toán bánh làm việc bánh trụ thẳng với thông số sau : Khoảng cách trục Mô đun Chiều rộng vành Tỷ số truyền Số bánh chủ động Số bánh bị động aw m bw U Z1 Z2 61 = 20 (mm) = 0,25 (mm) = 2,5 (mm) = = 80 = 80 Ø5H7/k6 Ø5k6 Ø10G7 Hình 3.10 Bản vẽ lắp cụm bánh bị động puli dẫn hướng Tấm đỡ chi tiết Bánh Puli Bulông siết chặt Trục quay Ổ lăn 3.1.5 Thiết kế cố định chi tiết Tấm cố định chi tiết làm thép C35 đặc tính không chịu tải cao dễ gia công nên ta chọn loại thép để làm cố định chi tiết Tấm cố định kẹp chặt vào khung qua bu lông Sau vẽ thiết kế cố định chi tiết : 62 45 22 32 36 90 36 Ø1 27 46 Ø5 10 12 25 60 Hình 3.11 Bản vẽ kỹ thuật cố định chi tiết 63 8,5 A A A-A 20 ,5 R1 43 3,4 B 20 3,4 B 40 90 B-B 20 Hình 3.12a Bản vẽ kỹ thuật cố định bánh tỳ 20 36 10 50 Ø1 15 15 Hình 3.12b Bản kỹ thuật nối bánh tỳ 64 3.1.6 Thiết kế dẫn hướng trước sau Dẫn hướng trước sau làm đồng có tác dụng giữ cho dây hàn quỹ đạo Bản vẽ thiết kế chi tiết dẫn hướng trước sau: 20 14 Ø3 ,4 Ø4 2,5 7,5 Hình 3.13 Bản vẽ kỹ thuật ống dẫn hướng 3.1.7 Bulông hãm cố định bulông khác Trong thiết kế tác giả sử dụng bulông sau : Bu lông sử dụng loại M5 Để cố định ống dẫn hướng, động cơ, làm chốt xoay sử dụng bulông vít M3 65 Ø7 35 Hình 3.14 Bản thiết kế bu lông cố định chi tiết 3.1.8 Trục, then ổ lăn Các trục sử dụng dẫn động không chịu tải trọng cao va đập tác giả sử dụng vật liệu phổ bến để làm trục thép C45 cải thiện Bản vẽ thiết kế trục then sau : Ø5 20 1,5 Hình 3.15 Bản vẽ kỹ thuật trục Ổ lăn sử dụng ổ đỡ đơn dãy có : d = 5, D = 10 Chiều rộng then 1,5 mm 66 ấu 3.2 Mô trình làm việc c Hình 3.16 Hình ảnh làm việc cấu cấp dây hàn 67 3.3 Xuất vẽ kỹ thuật 68 KẾT LUẬN CHƯƠNG III Với thiết kế chi tiết, đầy đủ toàn cấu làm việc khớp với đưa dây hàn vào thực trình hàn cho Robot hàn tự động 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau hai năm học tập mái trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, sau năm nghiên cứu, giúp đỡ thầy cô viện Cơ khí, môn, đặc biệt hướng dẫn tận tình PGS.TS Phan Bùi Khôi; GS.TSKH ĐỖ SANH luận văn tác giả hoàn thành Qua trình thực tác giả rút số kết luận sau: Kết luận - Tác giả nghiên cứu, tìm hiểu lịch sử phát triển Robot công nghiệp, số khái niệm ứng dụng robot hàn robot hàn di động - Tác giả phân tích phương án từ lựa chọn cách hơp lý để thiết kế cấp dây tự động cho robot hàn, bao gồm khung cấp dây, cấu dẫn hướng, puli đẩy dây - Khung cấp dây tác giả thiết kế đảm bảo độ cứng vững, độ bền tính tiện nghi sử dụng - Các cấu dẫn hướng puli đẩy dây thiết kế với hình dáng kích thước hợp lý, vật liệu chế tạo đảm bảo yêu cầu làm việc chúng - Động dẫn động tác giả chọn loại động Servo, giải pháp hiệu quả, đại, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật - Phần mô tác giả sử dụng phần mền CATIA sở tính toán chuyển động cho cấu Điều cho phép hiển thị trực quan hoạt động hệ thống giúp cho người đọc dễ hiểu dễ nắm bắt nguyên lý hoạt động cấp dây - Kết luận văn sử dụng để chế tạo cấp dây tự động cho robot hàn - Kết luận văn tảng cho việc tự động hoàn toàn trình hàn robot hàn 70 Kiến nghị - Tiếp tục nghiên cứu để cấp dây sử dụng cho tất thiết bị hàn khác Việt Nam - Tiếp tục nghiên cứu để tự động toàn trình hàn tự động với robot hàn - Làm thực nghiệm để hiệu chỉnh thông số điều khiển để chế tạo ứng dụng vào thực tế sản xuất Trong thực luận văn tận tâm, tận chí kết nghiên cứu tác giả số hạn chế sau: - Khi nghiên cứu tính toán tác giả chưa có điều kiện nghiên cứu nhiều loại thiết bị hàn - Kết dừng lại lý thuyết mô phỏng, chưa có thử nghiệm để hiệu chỉnh thông số kỹ thuật mà tác giả tính toán 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Ngô Lê Thông; Công nghệ hàn điện nóng chảy tập 1,2 - NXB Khoa học kỹ thuật [2] PGS.TS Trịnh Chất - PGS.TS Lê Văn Uyển; Tính toán thiết kế hệ dẫn động khí tập 1- NXB Khoa học kỹ thuật [3] TS Vũ Huy Lân - TS Bùi Văn Hạnh; Vật liệu hàn - NXB Bách Khoa [4] GS.TSKH Nguyễn Văn Khang; Động lực học hệ nhiều vật - NXB Khoa học kỹ thuật 2007 [5] Tài liệu môn học Robot công nghiệp; thiết kế điều khiển Robot PGS.TS Phan Bùi Khôi [6] Nguyễn Trọng Hiệp - Nguyễn Văn Lẫm; Thiết kế chi tiết máy - NXB Giáo dục [7] Hướng dẫn sử dụng phần mền CATIA 72 ... trúc sở tính toán hệ thống cấp dây robot hàn di động 24 CHƯƠNG II: CẤU TRÚC VÀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CẤP DÂY CỦA ROBOT HÀN DI ĐỘNG 2.1 Cấ h hà di độ Qua tham khảo kết cấu robot hàn thực tế tác... khiển robot thực trình hàn  Khí hàn thực nhiệm vụ cấp khí bảo vệ cho mối hàn toàn trình điều khiển tự động qua role khí  Cuộn dây hàn thực nhiệm vụ cấp dây hàn cho hệ thống cấp dây hàn cho robot. .. ảnh robot hàn cố định Hình 1.17 Hình ảnh robot hàn di động Từ hai hình ảnh tác giả thấy khác biệt lớn robot hàn cố định robot hàn di động robot hàn di động có bánh xe, ray… di chuyển robot hàn