Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot hàn ống dẫn dầu khí

Định nghĩa Robot công nghiệp Có rất nhiều định nghĩa về Robot, tuy nhiên có thể điểm qua một số định nghĩa cụ thể như: Định nghĩa theo OCT 25686-85 - Nga: Robot công nghiệp là một máy

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là : Tống Giang Nam

Nơi công tác:

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot hàn ống dẫn dầu – khí Chuyên nghành: Công nghệ chế tạo máy

Mã số: 10BCTM – QP21

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Được thực hiện dưới sự

hướng dẫn chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phan Bùi Khôi Các kết quả mới

trình bày trong luận văn là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong tài liệu nào

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Người viết

Tống Giang Nam

CẤU TRÚC LUẬN VĂN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ

1.1 Giới thiệu về Robot

1.2 Giới thiệu sơ lược về robot hàn

1.3 Cấu trúc chung của robot hàn

1.4 Cấu trúc Robot hàn ống dẫn dầu khí

1.5 Nội dung nghiên cứu của Luận văn

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC , ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán Động học, Động lực học

2.2 Khảo sát Động học Robot hàn ống dẫn dầu khí

2.3 Khảo sát động lực học robot hàn ống dẫn dầu khí

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ

3.1 Phân tích lựa chọn kết cấu

3.2 Thiết kế hệ thống dẫn động Robot khâu đế

3.3 Thiết kế các bộ truyền dẫn động cho các khâu

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ

12

1.5 Cơ sở thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot MWR 39

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC , ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ (MWR)

42

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán động học, động lực học 42

2.1.4 Ma trận trạng thái của khâu thao tác theo dây chuyền

a Tính ma trận trạng thái của mỏ hàn theo cấu trúc động học 61

b Tính ma trận trạng thái của mỏ hàn tại mỗi điểm trên đường

cong hàn

65

2.3 Khảo sát động lực học robot hàn ống dẫn dầu khí 70

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG

CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Trường công tác của Robot 15

( Trường Đại học giao thông vận tải TP.HCM

nghiên cứu chế tạo)

26

Hình 1.22 Robot hàn đường Mini

(Do trường Đại học Bách khoa TP.HCM nghiên

27

cứu chế tạo) Hình 1.23 Robot hàn BK23

( Sản phẩm của trường Đại học bách khoa Hà Nội

chế tạo)

27

Hình 1.24 Mô hình Robot hàn ống dẫn dầu khí - MWR 35 Hình 1.25 Những bộ phận cơ bản của Robot MWR 36

Hình 2.15 Sơ đồ cơ học - xác định tọa độ Robot MWR 58

Hình 3.5 Bánh xe ăn khớp mặt ngoài ray dẫn 78 Hình 3.6 Phân tích chuyển động ăn khớp 2 bánh răng 79 Hình 3.7 Sơ đồ lực dẫn động cho khâu 1 79 Hình 3.8 Phân tích cơ cấu bộ truyền bánh răng 80

Hình 3.10c Sơ đồ truyền động Trục vít - bánh vít 82

Hình 3.12 Sơ đồ quy luật chuyển động của các khâu 84 Hình 3.13 Quy luật chuyển động của các khâu theo hàm 85 Hình 3.14 Tốc độ di chuyển của các khâu 86 Hình 3.15 Sơ đồ các lực dẫn động tác dụng tại các khớp 87

Hình 3.17 Kích thước bánh răng trụ nhỏ 90 Hình 3.18 Phương pháp sử dụng bộ truyền dẫn động khâu 2 91

Hình 3.20 Phương pháp lắp ghép bộ truyền dẫn động khâu 2 92 Hình 3.21 KT Trục vít 2(theo hình 3.15)khâu 2 93 Hình 3.22 KT Thanh dẫn hướng 4-5(theo hình 3.15)khâu 2 94 Hình 3.23 KT Tấm định vị động cơ 2 – khâu 2 94 Hình 3.24 KT Bộ phận dẫn hướng 13 (theo H3.15) 95 Hình 3.25 KT Bộ phận dẫn hướng 14(theo H3.15) 96 Hình 3.26 KT Bộ truyền Vitme đai ốc dẫn động khâu 3 97 Hình 3.27 Phương pháp lắp ghép bộ truyền dẫn động khâu 3 98 Hình 3.28 KT Gối đỡ 13(theo H3.22) 99 Hình 3.29 KT Bộ phận dẫn hướng 8 (theo H3.22) 100 Hình 3.30 KT Thanh dẫn hướng 6(theo H3.22) 101 Hình 3.31 KT Chi tiết 9(theo H3.22) 102 Hình 3.32 KT Chi tiết 10(theo H3.22) 103

Hình 3.33 KT Trục vít 4(theo H3.22) 104 Hình 3.34 Bộ truyền Vitme đai ốc dẫn động khâu 4 105 Hình 3.35 Phương pháp lắp ghép bộ truyền dẫn động khâu 4 106 Hình 3.36 KT Chi tiết 8-Thanh dẫn hướng (Theo hình 3.29) 106 Hình 3.37 KT Trục vít 5(Theo hình 3.29) 107 Hình 3.38 KT Gối đỡ 2(Theo hình 3.29) 107 Hình 3.39 KT Gối đỡ 3(Theo hình 3.29) 108 Hình 3.40 KT Chi tiết 7 thuộc cơ cấu dẫn hướng

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành điều khiển và tự động hóa đã có những bước tiến quan trọng Quá trình đó đã góp phần không nhỏ vào việc tăng cường năng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng và độ đồng đều

về chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc của con người, đặc biệt trong một số công việc có độ an toàn thấp, hoặc có tính độc hại cao…Việc

sử dụng các tay máy robot phục vụ trong công nghiệp đã rất phổ biến từ nhiều năm trước trên thế giới bởi chất lượng và năng suất đạt được Nhưng khi bắt đầu, việc sử dụng còn hạn chế do giá thành và việc điều khiển Ngày nay, với sự phát triển mạnh

mẽ của khoa học kỹ thuật, các hạn chế trên đã được phần nào khắc phục, và tay máy robot đã thể hiện vai trò ngày càng lớn Trong tương lai, tay máy sẽ là những công nhân chính trong các nhà máy, xí nghiệp, tránh cho con người khỏi môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm Lượng robot công nghiệp bán ra hàng năm là khá lớn, chủ yếu từ các nước: Nhật, Đức, Mỹ…

Trong nước ta hiện nay, nhu cầu sử dụng robot đã bắt đầu gia tăng khi các cơ

sở sản xuất đã đủ khả năng trang bị cho mình cơ sở vật chất hiện đại Nhiều nơi đã

sử dụng robot thay cho sức lao động của con người, trong đó phần lớn là các robot hàn và lắp ráp Các viện và các trường đại học cũng có nhiều nghiên cứu thành công

và đủ khả năng chế tạo các tay máy phục vụ cho công nghiệp Điều này đã cho thấy

sẽ xuất hiện một nền công nghiệp robot trong tương lai Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng nhiều trong nghành công nghiệp ở các nước công nghiệp phát triển như Hoa Kỳ, Nhật Bản, CHLB Đức, Hàn Quốc,….và gần đây là các nước trong khu vực Đông Nam Á Để giải phóng sức lao động cho con người, tăng độ chính xác cũng như công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong ngành dầu khí thì việc nghiên cứu, ứng dụng cũng như đưa robot hàn ống dẫn dầu khí vào sử dụng đáp ứng cho ngành này là một vấn đề rất cấp thiết Bản thân tìm hiểu về lĩnh vực Robot hàn tôi đã được thầy Phan Bùi Khôi giao và hướng dẫn tìm hiểu về Robot hàn ống

với đề tài “ Thiết kế hệ dẫn động cho robot hàn ống dẫn dầu khí”

Sau nhiều tháng được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Phan Bùi Khôi cùng với việc tham khảo một số tài liệu có liên quan, theo yêu cầu đặt ra tôi đã hoàn thành bản luận văn được giao

Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu , khó tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được ý kiến góp ý của quý Thầy, quý Cô và bạn bè, đồng nghiệp

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi, quý Thầy, quý Cô trong Viện cơ khí, Viện đào tạo Sau Đại Học – Trường Đại học Bách Khoa

Hà Nội đã hướng dẫn giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

TÁC GIẢ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ

1.1 Giới thiệu về Robot

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển Robot

Thuật ngữ “Robot” lần đầu xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Unisersal Robot” của Karel Capek Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek bắt đầu được thực hiện Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những cánh tay máy chép hình điều khiển từ xa Vào giữa những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện tử, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Eletric Năm 1954 George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959

Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì Đến năm 1990 đã có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý đến nhiều sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc

Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều tính vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại

Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong các lĩnh vực cơ khí, điện

tử, tin học thì sự tích hợp của 3 lĩnh vực đó là cơ điện tử cũng phát triển và được coi

là một trong quá trình hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước Khả năng làm việc của robot thì có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng và độ chính xác cao, hiệu quả và kinh tế cao, làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, trong các công việc đòi hỏi phải cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần có thợ tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng xuốt ngày thì robot có khả năng thay thế hoàn toàn

Nhìn chung Robot có những đặc điểm nổi trội như:

- Có thể thực hiện công việc một cách bền bỉ, không biết mệt mỏi nên chất lượng sản phẩm được giữ ổn định Giá thành sản phẩm hạ do giảm được chi phí cho người lao động

- Nhất là ở nhiều nơi hiện nay cũng cần ứng dụng công nghệ robot để cải thiện điều kiện lao động vì trong thực tế sản xuất người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, ồn ào…quá mức cho phép nhiều lần Thậm chí phải làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khỏe con người

- Mặt khác, khi áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cũng cần lưu ý và phân tích kỹ toàn bộ hệ thống sản xuất sao cho phù hợp với các nguyên công và phù hợp với tình hình sản xuất của nhà máy để có thể khai thác tốt nhất tính năng của robot

- Hơn nữa robot còn có ưu điểm quan trọng nhất đó là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất Mà trong đó kỹ thuật robot và máy vi tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt

So với lúc mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đã có những bước phát triển vượt bậc Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỷ trước, với sự góp mặt của máy tính Ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc phức tạp Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng

độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình Tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày

càng nhiều vì một mặt giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên tục giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng Mặt khác chi phí về lương và các khoản phụ cấp cho người lao động ngày càng tăng Robot ngày càng vạn năng hơn

để có thể đáp ứng làm nhiều việc trên các dây chuyền khác nhau

1.1.2 Một số định nghĩa về Robot công nghiệp

a Định nghĩa Robot công nghiệp

Có rất nhiều định nghĩa về Robot, tuy nhiên có thể điểm qua một số định nghĩa cụ thể như:

Định nghĩa theo OCT 25686-85 - Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động, được gá đặt cố định hoặc di chuyển được, liên kết giữa một tay máy và một

hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Định nghĩa theo AFNOR – Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất, theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm

vụ công nghệ khác nhau

Định nghĩa theo RIA: Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Như vậy có thể nói rằng tùy theo các quan điểm nhìn vấn đề ở các góc độ khác nhau mà các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực robot có những định nghĩa khác nhau

Có thể nói Robot công nghiệp là một tay máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau

b Bậc tự do của Robot

Thông thường tay máy có trên một bậc tự do Số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động Trong lĩnh vực robot học người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động (Có thể

là chuyển động thẳng, dọc theo hoặc song song với một trục, hoặc chuyển động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó là một tọa độ suy rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng

Thông qua khảo sát thực tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt của tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có số bậc tự do chuyển động cao Tuy nhiên số bậc chuyển động này không nên quá 6, lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng thao tác ( nằm trong cùng không gian hoạt động của nó ) theo mọi hướng Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn sáu sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn Sáu bậc chuyển động được bố trí gồm:

Ba bậc chuyển động cơ bản (hay chuyển động định vị)

Về mặt nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu được liên kết với nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở Khớp động được sử dụng trên các tay máy thường là các khớp loại 5 ( Khớp tịnh tiến hoặc khớp quay loại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển Tay máy có số bậc chuyển động độc lập thường là từ ba trở lên (ta gọi là bậc tự do hay bậc chuyển động) Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và thường là một Như vậy khái niệm bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một tay máy có thể thực hiện được Trường hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển động độc lập thì tay máy có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng có từng ấy khớp hay trục Các chuyển động cơ bản, hay

chuyển động chính trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hưởng quyết định đến dạng hình học của không gian hoạt động của nó Các chuyển động này thực hiện việc chuyển dời cổ tay của tay máy đến những vị trí khác nhau trong vùng không gian hoạt động của tay máy vì vậy còn được gọi là các chuyển động định vị

Phần ngoài cùng của tay máy thường có dạng một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tượng thao tác và đối với Robot hàn thì được thay thế bởi các dụng cụ công nghệ như ống đưa dây hàn, mỏ hàn…

Để thuận tiện trong việc điều khiển, mỗi bậc chuyển động của tay máy thường là có nguồn dẫn động riêng, có thể là nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện…

Ba bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng)

Một tay máy đều yêu cầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối (ống dẫn dây hàn ) có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra Để hoàn toàn định hướng đến tư thế làm việc với đối tượng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như các chuyển động xoay của cổ tay người, ba khớp loại 5 được sử dụng để xoay khâu tác động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của

nó Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên được gọi là các chuyển động định hướng nhằm tăng khả năng linh hoạt giúp tay máy có thể dễ dàng định hướng của khâu tác động cuối đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đối tượng thao tác, cũng như tăng khả năng tránh chướng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện tính chất động lực học của tay máy Tuy nhiên điều cần lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt khác cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển tức là làm tăng sai số tích lũy trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối Điều này đồng nghĩa với sự gia tăng về chi phí và thời gian sản xuất và bảo dưỡng robot

Số bậc tự do của Robot được tính theo công thức sau:

k i

i f f f

k

 1 ) (

Trong đó:

f : Số bậc tự do của robot

n: Số khâu động của robot

: Số bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của Robot (=3, =6 tương ứng lần lượt với không gian hai chiều và ba chiều)

c Trường công tác của robot:

Trường công tác hay vùng làm việc, không gian công tác của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp

Hình 1.1 Trường công tác của Robot

1.1.3 Không gian hoạt động của Robot

Không gian hoạt động của Robot có thể được phân ra như sau:

- Tay máy tọa độ góc

Đây là kiểu Robot được dùng nhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với 2 trục kia, các chuyển động

định hướng khác cũng là các chuyển động quay Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu

Hình 1.2 Tay máy tọa độ góc

- Tay máy tọa độ trụ

Trường công tác của robot có dạng hình trụ rỗng Thường khớp thứ nhất chuyển động quay Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ 1.6 có nhiều robot kiểu toạ độ trụ như: Robot Versatran của hãng AMF (Mỹ)

Hình 1.3 Tay máy tọa độ trụ

- Tay máy tọa độ cầu

Trường công tác của Robot có dạng hình cầu Thường độ cứng vững của loại Robot này thấp hơn so với hai loại trên

Hình 1.4 Tay máy tọa độ cầu

- Tay máy khớp bản lề và SCARA

Là một loại robot nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất Tên gọi Scara là viết tắt của “Selective Compliant articulated robot arm” – tay máy mềm dẻo tùy ý Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp Ba khớp đầu tiên của Robot có cấu hình r.r.t, các trục khớp đều có phương thẳng đứng như hình 1.5

Hình 1.5 Tay máy khớp bản lề Tay máy tọa độ Đềcác:

Là Robot có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa

độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữ nhật, loại tay máy này

có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo Ví dụ như robot có 3 bậc tự

do như hình vẽ, được dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng…

Hình 1.6 Tay máy tọa độ Đềcác

1.1.4 Các khớp đặc trưng sử dụng trong Robot

Ta biết robot nói chung là một hệ tự động linh hoạt bao gồm các hệ thống cơ bản như đã trình bày ở trên, riêng xét về mặt cơ học thì robot là một hệ nhiều vật hay còn được gọi là các khâu được ghép lại với nhau bằng các khớp Có sáu loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các cơ cấu máy và robot,

cụ thể như:

* Khớp quay (Revolute Joint-R): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay tương đối với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp Khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp Khớp quay còn gọi là khớp bản lề

Hình 1.7 Khớp quay

* Khớp lăng trụ (Prismatic-P): Cho phép hai thành phần của khớp trượt với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp Do đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp Khớp lăng trụ còn gọi là khớp tịnh tiến

Hình 1.8 Khớp lăng trụ

* Khớp trụ (Cyrlindrical Joint – C): Cho phép hai thành phần của khớp có hai chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh một trục và một chuyển động tịnh tiến dọc theo trục quay đó Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

Hình 1.9 Khớp trụ

* Khớp ren (Helical Joint – H): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay quanh một trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc chuyển động quay bởi bước vít Do đó khớp ren hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

Hình 1.10 Khớp ren

* Khớp cầu (Spherical Joint –S): Cho phép hai thành phần của khớp thực hiện chuyển động quay giữa hai khâu quanh tâm cầu theo tất cả các hướng Do đó khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

Hình 1.11 Khớp cầu

* Khớp phẳng (Plane Joint – P): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động tịnh tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc Do đó khớp phẳng hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp

Hình 1.12 Khớp phẳng

* Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair – G): Hai bánh răng ăn khớp, cho phép một bánh răng lăn và trượt với bánh răng kia tại điểm tiếp xúc giữa hai bánh răng ăn khớp Do đó khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động

Hình 1.13 Khớp bánh răng phẳng

* Khớp cam phẳng (Cam Pair – Cp): Là khớp được tạo bởi sự chuyển động tiếp xúc giữa hai cam Khớp này hạn chế bốn khả năng chuyển động

1.2 Giới thiệu sơ lƣợc về robot hàn

Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong công nghiệp sản xuất ôtô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu như Nhật, Đức, Hoa Kỳ… và gần đây là một số các nước phát triển ở Đông Nam Á Sau đó, công nghệ hàn tự động với robot được áp dụng trong các nghành đóng tàu biển, dầu khí, chế tạo máy…

Hiện nay robot hàn là loại robot công nghiệp được sử dụng nhiều nhất ở Việt Nam trong các xưởng, xí nghiệp cơ khí Yêu cầu đối với thao tác công nghệ của robot hàn là mũi hàn chuyển động theo một quy luật xác định để tạo được mối hàn theo yêu cầu kỹ thuật Quỹ đạo chuyển động của mũi hàn thường là một đường cong trên vật hàn hoặc là mép hàn, là chỗ ghép nối giữa các chi tiết hàn Đảm bảo quy luật chuyển động của mũi hàn chính là đảm bảo vị trí của mũi hàn đối với mép hàn và hướng của đầu mũi hàn theo yêu cầu của kỹ thuật hàn

Trong công nghệ hàn thì được chia ra hai loại đó là hàn điểm và hàn đường

Ta có một số loại robot hàn cắt thông dụng trong công nghiệp như:

Hình 1.14 Phân loại Robot hàn cắt thông dụng

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: Mỗi khung xe được cố định vào một palette và được điều khiển di chuyển khắp nhà máy Khi khung xe đến trạm hàn, bộ phận kẹp sẽ cố định các chi

tiết đúng vào vị trí cần thiết trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước

Hình 1.15 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi

Robot cũng được ứng dụng nhiều trong công nghệ hàn theo vết hoặc hàn theo đường dẫn liên tục – còn gọi là hàn đường Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên, năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt phát

ra trong quá trình hàn

Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn và sau đó robot di chuyển dọc theo quỹ đạo được lập trình trước Ưu điểm so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định Người vận hành chỉ thực hiện công việc là kẹp chặt các chi tiết và lấy sản phẩm sau khi hàn xong Có thể thực hiện tăng năng suất bằng các trang bị bàn định vị quay nhờ đó người vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết khác

Hình 1.16 Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC

Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không đồng dạng Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng Hơn nữa, đường hàn có thể không

xử lý được với mỏ hàn khi nó bị che khuất bởi chi tiết khác Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau Gần đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất lượng mối hàn lại tăng Cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí đúng của đường hàn Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi Xác định đường hàn cho các vật thể ba chiều phức tạp hơn so với các tấm phẳng vì thường cần phải mô hình hóa hình học

để định ra đường di chuyển của robot

Công cụ lập trình cho robot hàn:

Trong thực tế có rất nhiều công cụ lập trình cho robot như keyboard, teach pendant, simulator…Nhưng đặc biệt đối với các robot hàn, người ta hầu như sử dụng Teach pendant như một công cụ lập trình hiệu quả nhất Vì thực chất thì Teach

pendant là một thiết bị thường có dạng hộp cầm tay (hand-held box) thường nối với robot bằng cáp điện hoặc quang, dùng để điều khiển chuyển động của mỏ hàn trên robot đi qua các vị trí của quỹ đạo cần hàn ở dạng Teach mode hoặc dùng để thực thi các chương trình lập trình lập trình sẵn…

Cấu tạo của Teach pendant rất đa dạng, tùy thuộc vào từng công ty sản xuất với mẫu mã và hình dáng phù hợp với robot của chính các công ty đó Nhìn chung thì tất cả các Teach pendant đều phải có hai bộ phận chính là màn hình LCD để hiện thị các thông số và các nút để nhập điều chỉnh các dữ liệu hoặc thực hiện các thao tác…

Hình 1.17 Mẫu cấu tạo Teach Pendant

Như đã tìm hiểu và nghiên cứu thì hàn là một phương pháp công nghệ dùng

để ghép nối hai hay nhiều phần tử với nhau Chỗ giao nhau giữa các phần tử này người ta gọi là mối hàn mà vốn là đường cong tiếp xúc giữa hai biên dạng của hai phần tử hàn, hay còn được gọi là quỹ đạo hàn lý thuyết hay quỹ đạo lẫy mẫu Trong thực tế để mối hàn được thực hiện hiệu quả nhất, người ta sẽ tạo một rãnh dọc theo quỹ đạo hàn, đây là vùng mà vật liệu que hàn và kim loại của các phần tử hàn nóng chảy và cấu kết, hình thành nên mối hàn Như vậy để hàn hai phần tử ta phải điều khiển đầu mỏ hàn đi dọc theo đường cong quỹ đạo rãnh hàn, tức là ta phải nắm bắt

và quản lý các thông số về đường cong này Thông thường, ta sẽ dùng các công cụ lập trình (thường dùng nhất là Teach Pendant) để lấy mẫu điểm trên quỹ đạo hàn

Hình 1.18 Các dạng quỹ đạo di chuyển que/ dây hàn theo yêu cầu liên kết khác

nhau của công nghệ hàn

Trong thực tế việc đơn thuần đưa que hàn để hàn dọc theo rãnh hàn không đạt được hiệu quả về chất lượng yêu cầu của mối hàn Ta phải điều khiển que hàn đi theo một quỹ đạo đặc biệt ứng với từng trường hợp yêu cầu cụ thể mà ta tạm gọi là quỹ đạo công nghệ Thực chất, quỹ đạo công nghệ này cũng được xác định dựa trên quỹ đạo lấy mẫu nhưng kết hợp với những hình dáng chuyển động đặc biệt trên rãnh hàn mà ta sẽ gọi là các Pattern

Trong công nghệ robot hàn thì một số robot được sử dụng rộng rãi do hãng ATC Daihen và YASKAWA chế tạo thường gặp như:

Hình 1.19 Robot Hãng ATC Daihen chế tạo

Có rất nhiều chủng robot hàn ví dụ như:

Hình 1.20 Robot hàn tiêu biểu

Đặc biệt hơn cả phải nói đến Robot Mini vì các tính năng nổi trội của nó như: nhỏ gọn, tiện lợi, dễ thao tác, cấu trúc đơn giản… đã được chế tạo, đặc biệt quan tâm đến thành tựu về Robot hàn của Việt Nam như “Robot hàn đứng ứng dụng trong công nghệ đóng tàu” của KS Lê Công Danh – Giảng viên khoa cơ khí – Trường ĐH giao thông vận tải TP HCM

Hình 1.21 Robot hàn mini ( Trường Đại học giao thông vận tải TP.HCM nghiên cứu chế tạo)

Hình 1.22 Robot hàn đường Mini (Do trường Đại học Bách khoa TP.HCM nghiên cứu chế tạo)

Hình 1.23 Robot hàn BK23 ( Sản phẩm của trường Đại học bách khoa Hà Nội chế tạo)

Thông số kỹ thuật

1.3 Cấu trúc chung của robot hàn

Về mặt truyền động và điều khiển, robot được cấu tạo từ các khối cấu trúc cơ khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động Các cơ cấu tác động này có thể hoạt động phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dưới sự điều khiển của một bộ phận có cấu tạo như máy tính, còn gọi là những bộ điều khiển PC Các cơ cấu tác động này có thể hoạt động nhờ các cơ cấu tác động

Cấu tạo của Robot hàn được chế tạo khác nhau tùy theo tính năng cũng như nhà sản xuất… nhưng cơ bản chúng được xây dựng từ những thành phần cơ bản sau:

là khớp động hay còn gọi là các trục Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động

là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như Động cơ điện, xy – lanh dầu ép, xy – lanh khí nén……Và phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối (End – Effector) để thao tác trên đối tượng làm việc, ở đây đối với Robot hàn thì đó chính là que hàn

Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó thì vấn đề đặc biệt được quan tâm là vị trí và vận tốc dịch chuyển của mỏ hàn (khâu cuối) nó quyết định chất lượng của mối hàn và là khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần

b Bộ điều khiển

Bộ điều khiển robot thường cấu thành từ các bộ phận cơ bản tương tự như máy tính (Bộ điều khiển PC based) bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất/nhập kết hợp với màn hình để hiển thị các lệnh khi lập trình và đồng thời theo dõi sự thay đổi tọa độ trong dịch chuyển của các khâu Toàn bộ các phần nói trên được bố trí bên trong tủ điều khiển chính và được sắp xếp theo từng mô - đun gồm các bo mạch điện tử Bên cạnh đó, để lập trình một cách thuận tiện cho robot, các nhà chế tạo thường bố trí một Pa-nen kết nối song song, còn gọi là bộ Teach pendant, với phím bấm để thực hiện các thao tác điều khiển trực tiếp chuyển động của các trục trên robot trong chế độ lập trình huấn luyện (teaching mode) và bên trong là một bo mạch kết nối trực tiếp với bộ xuất/nhập Đôi khi trong cấu hình của

bộ điều khiển còn được trang bị thêm một bộ điều khiển mô phỏng (simulator) có

kết nối với mạch xuất/nhập tương tự như Panen để hỗ trợ thêm cho công việc lập trình

c Nguồn dẫn động

Nguồn dẫn động thường được lắp bên cạnh tủ điều khiển Trên các robot có thể sử dụng đồng thời nhiều nguồn dẫn động như điện, dầu ép, khí nén Tùy theo dạng nguồn dẫn điện động được sử dụng trên robot mà cấu tạo phần nguồn cung cấp có thể thay đổi rất đa dạng

Nguồn dẫn động cũng là một đặc điểm quan trọng khác của robot, nguồn dẫn động trong một chừng mực nào đó ảnh hưởng đến không gian làm việc của robot Ngoài việc thay đổi nguồn dẫn động (mà hiện nay được chế tạo theo từng cụm đặc trưng) sẽ giúp nhanh chóng thay đổi kiểu, dạng của robot để phục vụ cho những yêu cầu công việc khác nhau Cụ thể hơn được phân ra:

kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác rất thích hợp để ứng dụng cho Robot sơn, hàn

d Súng hàn

Súng hàn dùng để đưa điện cực đến mối hàn, truyền dòng điện hàn vào điện cực và tạo ra lớp cách ly quanh mối hàn Có nhiều kiểu súng hàn khác nhau, tùy theo quá trình hàn, dòng hàn, kích thước điện cực và chất cách ly

Súng hàn có thể được làm nguội bằng nước luân chuyển hoặc không khí Quá trình hàn dùng điện cực tự tiêu như hàn hồ quang kim loại khí hoặc hàn hồ quang lõi thuốc, có thể dùng hoặc không dùng khí cách ly Các súng hàn có thể ở dạng thẳng hoặc cong, súng hàn cong để tiếp cận mối hàn dễ dàng hơn

Chức năng chính của súng hàn là truyền dòng điện tới điện cực Đối với quá trình hàn dùng điện cực tự tiêu, dòng hàn được truyền tới điện cực khi nó chuyển động qua súng Chức năng thứ hai của súng hàn là cấp khí cách ly tới vùng hàn (nếu có) Hàn hồ quang kim loại khí dùng khí hoạt động như Cácbonđiôxít hoặc hỗn hợp khí trơ, thường là Argon với CO2 hoặc ôxy

- Nguồn công suất không đổi

- Nguồn áp không đổi

- Nguồn dòng không đổi

f Bộ làm sạch súng hàn

Để làm việc chính xác và tin cậy, súng hàn hồ quang phải được làm sạch liên tục Chu kỳ làm việc cao độ của hàn tự động nên quá trình làm sạch súng hàn cũng phải được tự động hóa Chất tách vẩy hàn được phun vào mũi súng hàn Ngoài ra,

bộ làm sạch còn có thể trà sát mũi súng hàn để loại bỏ vẩy hàn bám vào và cắt dây

hàn Hệ thống làm sạch phải được tự động kích hoạt tại các thời điểm mà hệ điều khiển yêu cầu

g Bộ cấp dây

Bộ cấp dây dùng đề bổ sung kim loại điền đầy trong quá trình hàn tự động Điều này cho phép linh hoạt trong việc thiết lập nhiều tốc độ cấp dây khác nhau để phù hợp với những yêu cầu cụ thể của từng dây chuyền Bình thường, bộ cấp dây được mắc trên cánh tay robot, độc lập với nguồn hàn Với hàn tự động, cần có một giao diện điều khiển giữa bộ điều khiển robot, nguồn và bộ cấp dây Hệ thống cấp dây hàn phải phù hợp với quá trình hàn và kiểu nguồn điện được sử dụng

Có hai kiểu cơ bản: Kiểu thứ nhất dùng cho hàn dùng dây điện cực tự tiêu – còn gọi là bộ cấp dây điện cực Điện cực là một phần của mạch hàn, và kim loại nóng chảy từ điện cực lấp đầy vào mối hàn Có hai loại cấp dây điện cực khác nhau Nguồn công suất không đổi cần một bộ cấp dây cảm áp, trong đó tốc độ cấp dây thay đổi liên tục, còn nguồn điện áp không đổi cần tốc độ cấp dây không đổi trong suốt quá trình hàn Kiểu cấp dây thứ hai gọi là cấp dây nguội và được dùng cho hàn

hồ quang Tăng – xtan khí Điện cực không phải là một phần của mạch hàn, và kim loại điền đầy lấy từ vật hàn

kế giống như trong hàn bằng tay, hoặc chuyên biệt hơn để tăng tính linh hoạt và tầm hoạt động của các hệ thống hàn tự động Độ chính xác cũng phải cao hơn Ngoài ra, các điều khiển định vị robot phải tương thích và tuân thủ theo bộ điều khiển robot trung tâm để đạt được chuyển động phối hợp tức thì của nhiều trục trong khi hàn Tuy nhiên thao tác nâng hạ các bộ phận tĩnh của hệ thống robot rất tốn thời gian và

có thể phi thực tế Sẽ hiệu quả hơn nếu có hai hay nhiều khung giữ trên một bộ định

vị vật hàn quay, mặc dù chi phí ban đầu cao hơn

i Bộ định tâm, cảm biến

Để đảm bảo que hàn và khung hàn biết vị trí của nhau, cần phải liên tục hiệu chỉnh trọng tâm của hệ thống Quá trình này được thực hiện nhờ một thiết bị định tâm tự động Cảm biến cuối tay và quá trình căn chỉnh trọng tâm là những yếu tố cơ bản để thực hiện thành công hệ thống hàn tự động Cảm biến cuối tay dùng để phát hiện vị trí thực tế của cạnh vật hàn so với khung robot, từ đó tính ra chính xác trọng tâm công cụ so với vật hàn

Đặc tính kỹ thuật của Robot hàn

Robot hàn là một thiết bị cơ điện tử điển hình do đó các đặc tính của nó bao gồm nhiều thông số thuộc các chuyên môn khác nhau

Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp các thông tin cơ bản trong Catalog theo máy gồm:

- Hình dáng và kích thước làm việc

- Kích thước gói, khối lượng tĩnh

- Sơ đồ động học

- Bậc tự do

- Tầm với max, min

- Tải trọng danh nghĩa và lớn nhất

- Độ chính xác, độ chính xác lặp lại

- Tốc độ di chuyển cực đại theo các phương của hệ quy chiếu cơ sở

- giới hạn chuyển động của từng khớp trên cánh tay

- Hiệu điện thế không tải

- Hệ điều hành

- Khả năng kết nối thiết bị ngoại vi

Đặc biệt đối với Kỹ sư công nghệ hàn là người sử dụng robot cần quyết định chế độ công nghệ gồm các thông tin sau để điều khiển máy

- Vh: Vận tốc hàn

- Kp: Hệ số đắp

- Ih: Cường độ dòng hàn

-  : Hệ số tổn thất que hàn

- Fht: Lượng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đường hàn

- : Tỉ khối kim loại hàn

- Tốc độ chạy dây

- Vận tốc di chuyển mỏ hàn

- Lưu lượng khí bảo vệ

- Khoảng cách từ mỏ hàn đến bề mặt gia công

- Tư thế hàn

1.4 Cấu trúc Robot hàn ống dẫn dầu khí

Ta có thể thấy Robot hàn nhìn chung rất đa dạng nhưng tổng quát hơn ta có thể phân ra 2 loại đó là robot hàn điểm và robot hàn đường, trong đó thì robot hàn ống dẫn dầu khí nằm trong lĩnh vực robot hàn đường Thường thì hàn đường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn cũng như các điều kiện ngoại cảnh khác

Không giống như kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm (ống…) kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn, và sau đó robot dịch chuyển dọc theo quỹ đạo được lập trình trước Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay đó là chất lượng mối hàn được

ổn định Tuy nhiên luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít, đồng tâm chi tiết

do dung sai trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không đồng dạng Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó

khăn, đặc biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng…Hơn nữa đường hàn không xử lý được với mỏ hàn vì nó bị che khuất bởi các chi tiết khác Do đó các cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí đúng của đường hàn Như vậy để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi

Hình 1.24 Mô hình Robot hàn ống dẫn dầu khí Riêng về robot hàn ống dẫn dầu có đặc thù về môi trường cũng như không gian làm việc cho nên cơ bản phải gọn nhẹ,cần có đồ gá chuyên dụng để gá đặt chi tiết, có các hệ thống ray dẫn đặc thù với những bộ truyền động tối ưu nhất, phù hợp nhất

Trong giới hạn luận văn với các tiêu chí đặt ra, mô hình Robot được thiết kế

có dạng sau:

- Cơ cấu gồm có 1 chuyển động quay và 3 chuyển động tịnh tiến

- Sử dụng 4 động cơ để thực hiện 4 chuyển động độc lập

- Để thực hiện chuyển động quay quanh ống ta thiết kế cơ cấu tuần tự như sau: Động cơ dẫn động làm trục quay làm cho bánh răng côn 1 quay, bánh răng côn

1 ăn khớp với bánh răng côn 2 (vì bánh răng côn 2 và bánh răng trụ nhỏ được lắp đồng trục)cho nên sẽ làm cho bánh răng trụ nhỏ quay và ăn khớp với biên dạng răng trụ lớn lắp trên ray dẫn Cần thiết kế ray dẫn được cố định bo quanh ống dẫn dầu khí bằng các chân đế nam châm vĩnh cửu( hoặc chân vít), trên bề mặt day dẫn được gia công để hình thành biên dạng như một bánh răng trụ có đường kính lớn, mục đích để ăn khớp với bánh răng được dẫn động từ động cơ (được lắp đặt trên bàn định vị), Bàn gá robot được thiết kế như hình vẽ, thực hiện chuyển động quay quanh ống nhờ ăn khớp bánh răng được dẫn động từ động cơ thứ nhất, bên cạnh đó

để thực hiện chuyển động phụ cũng như để xác định được vị trí của bàn gá so với ray dẫn ta thiết kế các bánh xe đi kèm với 6 bánh xe

Để thực hiện chuyển động tịnh tiến ta sử dụng Trục vít - đai ốc bi kết hợp với các thanh dẫn hướng để thực hiện chuyển động theo đúng hướng cần xác định

Hình 1.25 Những bộ phận cơ bản của Robot MWR

Ghi chú - Kí hiệu : “Robot hàn ống dẫn dầu khí” thay bằng “ Robot MWR”

Ghi chú: Những chi tiết cơ bản

19: Que hàn 20: Mối hàn 21: Đầu dò

1.5 Cơ sở thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot MWR

Ngày nay việc ứng dụng Robot hàn trong các nghành công nghiệp rất phổ biến, riêng trong ngành đóng tàu, dầu khí những năm gần đây việc đưa Robot hàn vào sử dụng rất được coi trọng vì nhiều mặt lợi ích mà nó đem lại Cụ thể hơn vì đặc thù làm việc của hai ngành này cho nên Robot hàn được sử dụng đa phần là những Robot mini di động có tính linh hoạt cao

Chính vì vậy vấn đề gá đặt robot, thiết kế bộ truyền dẫn động, chọn động cơ….rất được chú trọng quan tâm để sao cho kích thước khối lượng robot là nhỏ nhất, nhưng năng suất và tính linh hoạt là tốt nhất cũng như đảm bảo có thể hoàn thành công việc đặt ra, mà ở đây đó chính là đạt được chất lượng mối hàn tốt nhất

Trong giới hạn luận văn tác giả tập trung đi sâu nghiên cứu thiết kế các bộ truyền dẫn động của Robot hàn Đặc biệt tính toán thiết kế bộ truyền để dẫn động robot di chuyển trên ray dẫn Để làm được điều này ta trước tiên ta cần phải giải quyết được những bài toán cơ bản đó là nghiên cứu động học và nghiên cứu động lực học

Các bài toán động học robot bao gồm:

Biết quy luật chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc) của các khâu của robot dẫn đến xác định được quy luật chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc) của khâu thao tác

Biết quy luật chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc) của các khâu thao tác, xác định quy luật chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc) của các khâu của robot

Khảo sát động học Robot nhằm xác định được quy luật chuyển động của Robot

để từ đó ta sẽ xác định được yêu cầu về quy luật chuyển động (quá trình thao tác)của

mỏ hàn Do đó bài toán động học Robot là cơ sở để khảo sát tính toán động học Robot cũng như tính toán và thiết kế bộ truyền dẫn động sao cho thích hợp đạt yêu cầu cả về hình dáng cũng như chỉ tiêu công nghệ

Từ kết quả bài toán Động học robot cho phép khảo sát động lực học robot, để từ

đó cung cấp số liệu cho việc thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot hàn ống dẫn dầu khí

1.5.2 Tính toán động lực học

Động lực học robot nghiên cứu chuyển động của robot dưới tác dụng của lực và (hoặc) mô men điều khiển (dưới đây để đơn giản gọi chung là lực điều khiển) để thực hiện thao tác theo mục đích công nghệ hoặc phục vụ

Các bài toán phân tích động lực học bao gồm: