Mô hình hóa và điều khiển robot 6 bậc tự do ứng dụng trong hàn tự động

Đây cũng là một đòi hỏi cấp bách liên quan đến việc giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc do sự lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc giản đơn nào đ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Mô hình hóa và điều khiển robot 6 bậc tự do ứng dụng trong hàn tự động” này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS

Phan Bùi Khôi Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là do tôi phát triển và

chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào

Hà Nội, Ngày tháng năm 2013

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Trường

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6

LỜI MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG I 11

TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG 11

1.1 Giới thiệu về robot 11

1.1.1 Robot và roboctis 11

1.1.2 Robot công nghiệp 13

1.1.3 Phân loại robot 17

1.2 Robot hàn tự động 20

1.2.1 Hệ thống hàn tự động 20

1.2.2 Phân loại robot hàn 21

1.2.3 Đặc điểm khai thác sử dụng robot hàn 22

1.3 Cấu trúc, nguyên lý, thiết kế robot hàn tự động 23

1.3.1 Các yêu cầu, chức năng của robot hàn 23

1.3.2 Cấu trúc của robot hàn 23

1.3.3 Nguyên lý thiết kế tổng thể robot hàn 25

1.4 Tóm tắt chương 1 33

CHƯƠNG 2 34

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN 34

2.1 Cơ sở lý thuyết 34

2.1.1 Phương pháp ma trận truyền Denavit-Hartenberg 34

2.1.2 Phương pháp tam diện trùng theo 37

2.1.3 Thiết lập phương trình động học robot 39

2.2 Khảo sát động học robot hàn 41

2.2.1 Thiết lập phương trình động học robot hàn 41

2.2.2 Động học thuận robot hàn 45

2.2.3 Động học ngược robot hàn 48

2.2.4 Các phương pháp giải bài toán động học ngược robot hàn 49

2.3 Chương trình tự động tính toán và mô phỏng robot hàn 57

2.3.1 Chương trình tính toán động học robot hàn 57

2.3.2 Chương trình mô phỏng hoạt động robot 60

2.4 Tóm tắt chương 2 64

CHƯƠNG 3 65

KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN 65

3.1 Cơ sở lý thuyết 65

3.1.1 Phương pháp Lagrange II 65

3.1.2 Phương pháp Newton-Euler 69

3.2 Động lực học robot hàn theo phương pháp Lagrange II 72

3.2.1 Sơ đồ động lực học robot 72

3.2.2 Thiết lập các tham số động lực học robot hàn 74

3.2.3 Hệ phương trình động lực 78

3.3 Khảo sát các bài toán động lực học robot 80

3.3.1 Bài toán động lực học thuận 80

3.3.2 Bài toán động lực học ngược 84

3.4 Tổng kết chương 3 87

CHƯƠNG 4 88

TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT HÀN 88

4.1 Khái quát về điều khiển tay máy 88

4.2 Điều khiển phản hồi với bộ điều khiển PD 88

4.2.1 Luật điều khiển 88

4.2.2 Mô phỏng kết quả trên Matlab 92

4.2.3 Phân tích kết quả điều khiển 95

4.3 Điều khiển moment tính toán với bộ điều khiển PID 96

4.3.1 Nội dung phương pháp 96

4.3.2 Bộ điều khiển PID 98

4.3.3 Mô phỏng điều khiển trên Matlab Simulink/Simmechanics 100

4.4 Tổng kết chương 4 105

KẾT LUẬN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC 108

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

k Tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng sóng

Z1 Số răng của bánh răng sóng

2

Z Số răng của bánh răng trụ trong

i-1Hi Ma trận Denavit-Hartenberg địa phương

Dn Ma trận cho biết vị trí và hướng của khâu thao tác đối với hệ quy chiếu cố định

fi fi fi fi

O    Tam diện gắn vào mỗi điểm trên đường hàn

k k k k

O   Trạng thái mỏ hàn tại mỗi vị trí thao tác

RBCN Robot công nghiệp

0An Ma trận cosin chỉ hướng

f(p,q) Phương trình động học robot

J Ma trận Jacobian

( )

M q Ma trận khối lượng suy rộng của robot

T Động năng của robot

 Thế năng của robot

( ) q

 Momen động cơ

C Ma trận ly tâm – Coriolis

Fi,i-1 và Mi,i-1 Lực và ngẫu lực liên kết do vật rắn thứ i-1 tác dụng lên vật rắn thứ i

Fi+1,i và Mi+1,i Lực và ngẫu lực liên kết do vật rắn thứ i tác dụng lên vật rắn thứ i+1

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Quá trình thiết kế Robot 26

Bảng 1.2 Thông số làm việc của Robot hàn 29

Bảng 2.1 Các tham số xác định trạng thái đường gia công trong hệ tọa độ chi tiết 38

Bảng 2.2 Bảng tham số D-H của robot hàn 41

Bảng 2.3 Thông số cơ bản của robot hàn 42

Bảng 2.4 Giới hạn các góc của robot hàn 42

Bảng 3.1 Bảng tham số động lực học của các khâu 65

Bảng 3.2 Bảng tham số động lực học của các khâu robot hàn 74

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Vở kịch Rossum’s Universal Robots 11

Hình 1.2 Robot Asimo của Nhật Bản 12

Hình 1.3 Robot Big Dog của Hoa Kỳ 12

Hình 1.4 Robot công nghiệp Kuka của Đức 12

Hình 1.5 Hình 1.5 Robot Tosy của Việt Nam 12

Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của cơ điện tử 13

Hình 1.7 Robot công nghiệp ABB của Thụy Điển 14

Hình 1.8 Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới 14

Hình 1.9 Các lĩnh vực robot công nghiệp được sử dụng 15

Hình 1.10 Cấu trúc chung của RBCN 15

Hình 1.11 Cánh tay, cổ tay RBCN 16

Hình 1.12 Mô hình hệ thống robot 16

Hình 1.13 Cấu trúc robot hàn OTC AX21 17

Hình 1.14 Robot kiểu toạ độ Đề các 17

Hình 1.15 Robot kiểu toạ độ trụ 17

Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ cầu 17

Hình 1.17 Robot hoạt động theo tọa độ góc 17

Hình 1.18 Robot kiểu SCARA 17

Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở 19

Hình 1.20 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín 19

Hình 1.21 Hệ thống robot hàn hồ quang của ABB 20

Hình 1.22 Nguồn hàn cho robot hàn hồ quang 20

Hình 1.23 Súng hàn 20

Hình 1.24 Bộ làm sạch súng hàn 21

Hình 1.25 Bộ cấp dây hàn 21

Hình 1.26 Robot hàn hồ quang 21

Hình 1.27 Robot hàn điểm Presto 21

Hình 1.28 Robot hàn ma sát 22

Hình 1.29 Robot hàn dưới lớp thuốc bảo vệ 22

Hình 1.30 Sơ đồ động học robot hàn 22

Hình 1.31 Robot cơ cấu vai người 24

Hình 1.32 Cơ cấu cổ tay 24

Hình 1.33 Sơ đồ hệ thống Robot 24

Hình 1.34 Đế Robot 27

Hình 1.35 Khâu 1 27

Hình 1.36 Khâu 2 27

Hình 1.37 Khâu 3 27

Hình 1.38 Khâu 4 27

Hình 1.39 Khâu 5 27

Hình 1.40 Khâu 6 27

Hình 1.41 Mô hình Robot hàn 6DOF 28

Hình 1.42 Cấu tạo hộp giảm tốc bánh răng sóng 31

Hình 1.43 Cổ tay Robot Scorbot hai bậc tự do 32

Hình 1.44 Cơ cấu cổ tay với ba trục đồng quy 32

Hình 2.1 Biểu diễn các thông số Denavit – Hartenberg của khớp quay 35

Hình 2.2 Robot n khâu 36

Hình 2.3 Mối hàn thực hiện bởi robot hàn 37

Hình 2.4 Sơ đồ hệ tọa độ D-H 41

Hình 2.5 Vị trí tâm cổ tay 50

Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán giải bài toán động học ngược 53

Hình 2.7 Quỹ đạo khâu thao tác của Robot 54

Hình 2.8 Kết quả bài toán động học ngược 54

Hình 2.9 Sơ đồ thuật toán Newton-Raphson 56

Hình 2.10 Giao diện chương trình tính toán 58

Hình 2.11 Thủ tục giải hệ phương trình phi tuyến 58

Hình 2.12 Kết quả tính toán thu được 59

Hình 2.13 Modul lập trình 59

Hình 2.14 Giao diện chương trình Simulator khi khởi động 61

Hình 2.15 Simulator cho phép tùy chỉnh hiển thị 61

Hình 2.16 Các chức năng cơ bản của Simulator 62

Hình 2.17 Giao diện chương trình khi đưa robot vào 62

Hình 2.18 Tùy chỉnh đặc tính robot trong Simulator 62

Hình 2.19 Mô phỏng hoạt động robot 63

Hình 3.1 Mô hình vật rắn thứ i được tách riêng ra 69

Hình 3.2 Mô hình động lực học của robot 72

Hình 3.3 Vị trí trọng tâm khâu 1 73

Hình 3.4 Bộ tham số động lực học của khâu 1 73

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán Runge-Kuttan 81

Hình 3.6 Đồ thị góc quay của các khớp 82

Hình 3.7 Đồ thị góc quay (rad) của các khớp 83

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán giải bài toán động lực học ngược 85

Hình 3.9 Quỹ đạo chuyển động của Robot 86

Hình 3.10 Góc quay và moment đặt trên các khớp 86

Hình 4.1 Hệ điều khiển tay máy phi tuyến 90

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển Robot hàn với bộ điều khiển PD 92

Hình 4.3 Quỹ đạo mong muốn 93

Hình 4.4 Đồ thị các biến khớp đặt và các biến khớp sau khi điều khiển 94

Hình 4.5 Quỹ đạo của khâu thao tác sau khi điều khiển 95

Hình 4.6 Phóng to quỹ đạo khi điều khiển 95

Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển dùng động lực học ngược với bộ điều khiển PID 96

Hình 4.8 Bộ điều khiển PID 98

Hình 4.9 Mô hình hệ thống điều khiển PID 99

Hình 4.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển 99

Hình 4.11 Quỹ đạo đặt góc khớp 102

Hình 4.12 Vận tốc đặt 102

Hình 4.13 Gia tốc đặt 103

Hình 4.14 Các thông số khâu đế 103

Hình 4.15 Mô hình khâu đế trong Simulink 104

Hình 4.16 Sai số góc khớp 104

LỜI MỞ ĐẦU

Công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền sản xuất là một chủ trương lớn của đất nước ta hiện nay Với xu thế chung của thế giới, để có thể đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa cần ưu tiên áp dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào đời sống sản xuất Trong đó việc ứng dụng công nghệ tự động hóa vào các quá trình sản xuất công nghiệp đóng vai trò quan trọng Đây cũng là một đòi hỏi cấp bách liên quan đến việc giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp

đi lặp lại các thao tác của một công việc giản đơn nào đó), sự nguy hiểm của môi trường lao động, sự lây lan của các bệnh hiểm nghèo tại các cơ sở y tế, sự ô nhiễm do bụi bặm của các hầm mỏ, sự nguy hiểm ở duới đáy đại dương và trên không gian vũ trụ… Trên thế giới, các nước tiên tiến như: Hoa kỳ, Đức, Nhật… đã và đang ứng dụng công nghệ hàn tự động bằng Robot vào trong sản xuất công nghiệp Đặc biệt trong ngành công nghiệp sản suất ô tô Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc triển khai ứng dụng còn hạn chế Công việc hàn còn phải thực hiện nhiều bằng tay Với hàn đường thực hiện bằng tay có 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

Ứng dụng robot trong hàn tự động cho phép nâng cao chất lượng mối hàn cũng như tăng năng suất và tiến tới thay thế lao động của con người trong các công việc độc hại Khả năng robot hàn thực hiện được các mối hàn phức tạp phụ thuộc vào khả năng chuyển động tương đối giữa mỏ hàn và chi tiết được hàn Có nhiều phương pháp để tạo khả năng chuyển động tương đối giữa mỏ hàn và đối tượng hàn nhằm nâng cao khả năng thực hiện các mối hàn có hình dạng phức tạp

Với các phân tích ở trên, việc tìm hiểu đặc điểm thiết kế, tính toán động lực học và điều khiển robot hàn có ý nghĩa quan trọng trong việc khai thác, làm chủ và tiến tới thiết kế, chế tạo robot hàn Với bài toán động học chúng ta sẽ thiết lập được mối quan hệ giữa các biến khớp và vị trí của khâu thao tác Kết quả của bài toán động học là các tham số đầu vào để khảo sát động lực học robot, phục vụ cho việc tính chọn các cơ cấu chấp hành, thiết kế xây dựng bộ điều khiển Chính vì vậy việc xây dựng mô hình, tính toán động học, động lực học, đưa ra thuật toán điều khiển một cách chính xác là một yêu cầu quan trọng đối với việc tính toán thiết kế robot hàn

Xuất phát từ những phân tích trên, tác giả luận văn lựa chọn đề tài: “Mô hình hóa và

điều khiển robot 6 bậc tự do ứng dụng trong hàn tự động” nhằm chuẩn hóa các modul

thiết kế sản phẩm, hoàn thiện từ thiết kế cơ khí tới điều khiển Luận văn cũng hướng tới việc tạo ra một tài liệu chuẩn, nhất quán trong thiết kế robot

Luận văn tập trung phân tích đưa ra mô hình robot hàn hồ quang; thiết kế, tối ưu hóa kết cấu cơ khí ; Tính toán, lựa chọn bộ truyền dẫn động cho robot; tính toán động học, động lực học; tính toán, thiết kế bộ điều khiển; mô phỏng robot trên Matlab Simulink và mô phỏng quá trình hoạt động trên VC++ kết hợp thư viện đồ họa Open GL

Nội dung luận văn gồm 4 phần:

Chương 1 Tổng quan về robot hàn tự động

Chương 2 Khảo sát động học robot hàn

Chương 3 Khảo sát động lực học robot hàn

Chương 4 Tính toán điều khiển cho robot hàn

Tuy đã rất nỗ lực hoàn thành và kiểm tra các tính toán nhưng luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót và hạn chế Rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp của quý thầy cô và bạn bè để có thể giúp đỡ tôi hoàn thiện hơn trong các nghiên cứu sau này Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô và các bạn đồng môn đã giúp đỡ tôi hoàn thành

luận văn này, đặc biệt là sự tận tình chỉ dạy, giúp đỡ của PGS.TS Phan Bùi Khôi Tôi

xin chân thành cảm ơn

TÁC GIẢ

Nguyễn Văn Trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG 1.1 Giới thiệu về robot

1.1.1 Robot và roboctis

a Lịch sử ra đời và khái niệm về robot

Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, nhu cầu về cải tiến chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất ngày càng tăng và robot đã ra đời trên mục đích đó Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong các tác phẩm “Rossum’s Unisersal Robots” của Karel Capek Hơn 20 năm sau, ước mơ của Kerel 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 thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric 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

Hình 1.1 Vở kịch Rossum’s Universal Robots

Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì Năm 1967 Nhật Bản mới nhập Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa kỳ Đến năm 1990 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 Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác

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, có nhiều tính năng vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại

Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau: Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp:

Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD:

Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa

và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp

Theo tiêu chuẩn GHOST 1980:

Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người

b Robotics

Robotics là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot

và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh

Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của cơ điện tử

Robotics là một khoa học liên ngành gồm: cơ học, cơ khí, kỹ thuật điện – điện tử, kỹ thuật điều khiển – lập trình và công nghệ thông tin Robot là một sản phẩm đặc thù của ngành cơ điện tử (mechatronics)

1.1.2 Robot công nghiệp

a Định nghĩa robot công nghiệp

Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot công nghiệp

Theo định nghĩa của tổ chức ISO:

RBCN là một tay máy đa mục đích có thể điều khiển tự động, lập trình lại được,

có nhiều hơn hoặc bằng 3 trục

Theo Viện nghiên cứu robot của Mĩ :

RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại

để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác

Theo định nghĩa GHOST 25686 – 85:

tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

b Ứng dụng robot công nghiệp

Theo thống kê đến năm 2011 thế giới có khoảng 180.000 robot công nghiệp được sử dụng Sản lượng robot công nghiệp có xu hướng năm sau cao hơn năm trước Ước tính

năm 1994 có khoảng hơn 40.000 robot công nghiệp được sử dụng trên toàn thế giới thì đến năm 2011 con số này đã tăng lên hơn 6 lần là 180.000 robot

Hình 1.7 Robot công nghiệp ABB của Thụy Điển

Hình 1.8 Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới

Với những ưu việt của mình: năng suất cao, làm việc tin cậy, thay thế con người trong những công việc độc hại, nguy hiểm, lặp đi lặp lại, nhàm chán, thay đổi chương trình nhanh, đa mục đích…robot công nghiệp ngày càng được sử dụng nhiều vào tất cả các lĩnh vực trong công nghiệp cũng như đời sống

Hình 1.9 Các lĩnh vực robot công nghiệp được sử dụng

c Cấu trúc chung của robot công nghiệp

Một RBCN bao gồm các phần cơ bản sau:

Hình 1.10 Cấu trúc chung của RBCN

Tay Máy (Manipulator): là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp Chúng hình thành cánh

và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao

tác trên đối tượng

Hình 1.11 Cánh tay, cổ tay RBCN

Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác Các robot cần

hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

Hình 1.12 Mô hình hệ thống robot

Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy Nguồn động lực của

các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng

Hệ thống điều khiển (controller): hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có máy

tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

Hình 1.13 Cấu trúc robot hàn OTC AX21

1.1.3 Phân loại robot

a Phân loại theo kết cấu

Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn:

- Chuyển động thẳng theo các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiều thông thường tạo nên những khối hình có góc cạnh, gọi là T (Translation) hoặc P (Prismatic)

- Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu (R)

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp của robot là: robot kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc (phỏng sinh)

Robot kiểu tọa độ Đề các: là tay máy 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 hình chữ nhật Do kết

cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững

cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó

thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp,

hàn trong mặt phẳng,…

Hình 1.14 Robot kiểu toạ độ Đề các

T.T.T

Robot kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc 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 1.15 Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ như

: robot Versatran của hãng AMF (Hoa Kỳ)

Robot kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot có

dạng hình cầu, thường độ cứng vững của loại robot

này thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ robot 3 bậc tự

do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ

độ cầu (hình 1.16)

Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh)

: đây là robot dùng nhiều hơn cả Ba chuyển

động đầu tiên là các chuyển động quay, trục

quay thứ nhất vuông góc với hai 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 Tất cả các

khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên

các tính toán cơ bản là bài toán phẳng Ưu

điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo

hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm

việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân

robot, độ linh hoạt cao

Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation - Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thụy Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản),

Ví dụ một robot hoạt động theo hệ toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh), có cấu hình RRR.RRR như hình 1.17

R.T.T

Hình 1.15 Robot kiểu toạ độ trụ

Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ cầu

Hình 1.17 Robot hoạt động theo hệ

toạ độ góc

Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra

ra đời vào năm 1979 tại trường đại học

Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot

mới 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 tuỳ ý Loại robot này thường được

dùng trong công nghiệp lắp ráp, nên

SCARA đôi khi được giải thích là từ viết

tắt của "Selective Compliance Assembly

Robot Arm" Ba khớp đầu tiên của kiểu

Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng

b Phân loại theo phương pháp điều khiển

Theo phương pháp điều khiển robot công nghiệp được phân ra làm 2 loại: điều khiển theo mạch hở và điều khiển theo vòng kín

 Điều khiển theo mạch hở

Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở

Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường làm việc của tay máy robot công nghiệp Do đó độ chính xác không cao Phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong những trường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hàng hóa… Động cơ được

sử dụng trên tay máy robot thường là động cơ bước, động cơ điện thông thường không phản hồi

 Điều khiển theo vòng kín

Hình 1.20 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín

Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển theo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà tay máy

Hình 1.18 Robot kiểu SCARA

Tay máy Robot công nghiệp

Môi trường làm việc

Hệ thống

điều khiển

Hệ thống cảm biến

Tay máy Robot công nghiệp

Môi trường làm việc

Hệ thống

điều khiển

tương tác Do đó điều khiển tay máy robot công nghiệp sẽ chính xác hơn So với phương pháp điều khiển theo mạch hở, phương pháp điều khiển này phức tạp hơn do phải trang

bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay máy như: vị trí, vận tốc, gia tốc,

mô men…và các thông số môi trường làm việc

Với ưu điểm là có độ chính xác cao, tin cậy trong quá trình làm việc nên phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các tay máy robot công nghiệp

c Phân loại theo ứng dụng

Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot Ví dụ: robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự… Ngoài những kiểu phân loại trên còn có : Phân loại theo hệ thống năng lượng, phân loại theo hệ thống truyền động, phân loại theo độ chính xác…

1.2 Robot hàn tự động

1.2.1 Hệ thống hàn tự động

Một hệ thống hàn hồ quang tự động gồm các thành phần điển hình sau:

 Robot hàn hồ quang: thường có dạng tay máy có từ 3 đến 6 bậc tự do và lập trình

được

Hình 1.21 Hệ thống robot hàn hồ quang của ABB

 Nguồn hàn: cung cấp dòng điện điều khiển với điện áp thích hợp cho quá trình hàn, thường là 10-35V và 5-100A

 Súng hàn: dùng để truyền dòng điện hàn từ cáp hàn tới điện cực và tạo ra lớp cách

ly quanh mối hàn 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

 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 vảy hàn được phun vào mũi súng hàn Ngoài ra, bộ làm sạch còn

có thể chà sát mũi súng hàn để loại bỏ vẩy hàn bám vào và cắt dây hàn

 Bộ cấp dây hàn: dùng để bổ sung kim loại điền đầy trong quá trình hàn tự động Thông thường, bộ cấp dây hàn được mắc trên cánh tay robot, độc lập với nguồn hàn

 Khung hàn và tay hàn

 Bộ định tâm: Quá trình căn chỉnh trọng tâm là yếu tố cơ bản để thực hiện thành công

hệ thống hàn tự động Bộ định tâm giúp căn chỉnh chính xác trọng tâm

1.2.2 Phân loại robot hàn

Có nhiều cách để phân loại robot hàn:

a Phân loại theo phương pháp hàn

Dựa theo phương pháp hàn, ta có thể phân robot thành các loại: Robot hàn điểm, robot hàn hồ quang, robot hàn ma sát xoay…

Hình 1.28 Robot hàn ma sát Hình 1.29 Robot hàn dưới lớp thuốc bảo vệ

b Phân loại theo điều khiển

Điều khiển kín sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường (contour) Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm

Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang

1.2.3 Đặc điểm khai thác sử dụng robot hàn

Cũng như hàn bằng tay, để tạo điều kiện cho mối hàn kết tinh (đông đặc) tốt, tránh được một số khuyết tật chúng ta phải chuẩn bị các mép hàn trước khi hàn Khâu chuẩn bị bao gồm các bước:

 Làm sạch mép vật hàn

 Đối với thép mỏng cần gấp mép

 Đối với thép có chiều dày lớn cần tiến hành vát mép

 Chọn khe hở giữa hai vật hàn

Đối với Robot cần phải chuẩn bị:

 Lập trình quỹ đạo hàn cho robot Các robot hàn hiện nay thường có hai chế độ lập trình Chế độ lập trình bằng tay (chế độ dạy học cho robot), ở chế độ này người vận hành robot điều khiển khâu công tác của robot đến vị trí mong muốn rồi lưu lại vị trí đó vào

bộ nhớ của robot Sau khi được dạy học, robot sẽ chạy đến chính xác các vị trí đã được lưu trước Ưu điểm của chế độ lập trình này là đơn giản, trực quan, không cần có kiến thức về lập trình Nhưng với chế độ lập trình dạy học này chỉ áp dụng đối với các mối hàn đơn giản có dạng đường thẳng (trong mặt phẳng hoặc trong không gian) hoặc các đường cong phẳng, chế độ hàn điểm - điểm Robot hàn OTC AX-V6 có khả năng nhớ

200000 điểm vào bộ nhớ của nó Chế độ lập trình thứ hai đó là lập trình bằng máy tính

Với chế độ này không nhất thiết phải lập trình trực tiếp trên robot mà có thể lập trình trước quỹ đạo hàn trên máy tính rồi nạp vào bộ nhớ của robot Chế độ lập trình bằng máy tính, quỹ đạo mối hàn thường có dạng các đường cong phức tạp Với dạng quỹ đạo này việc thiết lập phương trình cho nó tương đối khó khăn, người ta thường thiết kế trước quỹ đạo trên các phần mềm hỗ trợ thiết kế CAD/CAM như: Pro/ENGINEER, Solid Work… rồi xuất ra các toạ độ dưới dạng file STL và nạp vào robot

 Cài đặt các thông số công nghệ: điện áp, dòng điện hàn, vận tốc hàn, số lớp cần hàn… Công việc chuẩn bị này rất quan trọng vì chất lượng mối hàn phụ thuộc rất lớn vào các thông số trên

So với hàn bằng tay, hàn tự động sử dụng Robot có các ưu điểm:

 Có độ chính xác và năng suất cao Hàn bằng robot nâng cao độ tin cậy của mối hàn Một khi được lập trình hợp lý, các robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách

 Giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay

 Giải phóng người công nhân khỏi những tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc

1.3 Cấu trúc, nguyên lý, thiết kế robot hàn tự động

1.3.1 Các yêu cầu, chức năng của robot hàn

a Chức năng của Robot hàn:

 Thay thế con người đảm nhiệm công việc hàn

 Các mối hàn Robot có thể thực hiện được: hàn điểm, hàn đường trong mặt phẳng (nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn), hàn các đường phức tạp trong không gian

 Hàn theo chương trình

 Các chế độ hàn: hàn tự động, hàn bằng tay

b Yêu cầu:

 Robot phải linh hoạt, có khả năng vươn tới mọi vị trí trong vùng làm việc của nó

 Đảm bảo về độ cứng vững, khử rơ cho các truyền động cơ khí

 Dễ dàng vận hành, điều khiển, giao tiếp người-máy phải thân thiện

1.3.2 Cấu trúc của robot hàn

Dựa trên các yêu cầu, chức năng của robot hàn, ngoài ra để đảm bảo robot hàn được các chi tiết lớn, ví dụ: các chi tiết dạng trụ, được gá trên bàn quay ngang và thực hiện chuyển động quay để có thể thao tác trên toàn bộ bề mặt chi tiết Để đảm bảo yêu cầu của mình, robot cần có khả năng đưa đầu hàn tới mọi vị trí trong một khoảng không gian thao tác trên bề mặt của vật, điều này yêu cầu 3 bậc tự do Đồng thời tiếp cận bề mặt chi tiết theo hướng vuông góc và di chuyển tiếp tuyến với đường hàn, yêu cầu này cần 2 bậc tự do (một bậc tự do để quay vuông góc với bề mặt hàn và một bậc tự do để xoay mũi hàn tiếp tuyến với đường hàn) Như vậy để thực hiện, chúng ta cần 5 bậc tự do

Trong trường hợp này, tôi sử dụng robot hàn 6 bậc tự do vì:

 Đề phòng các trường hợp bó kẹt khớp

 Tận dụng khi hàn các đường hàn nhỏ, chi tiết sẽ không cần thực hiện chuyển động quay, sẽ làm giảm được sai số vì quán tính của chi tiết rất lớn, khó điều khiển theo quy luật phức tạp

 Có thể mở rộng để trở thành robot hàn CNC cho mọi dạng chi tiết mà chỉ cần thay đổi luật diều khiển Đồng thời thêm các nhiệm vụ khác ngoài nhiệm vụ hàn

 Các robot hàn hồ quang trên thị trường đều là các robot 6 bậc tự do Ta sẽ dễ dàng đặt mua hơn khi không trực tiếp sản xuất và khách hàng của chúng ta sẽ dễ dàng chọn lựa và đặt mua

Cấu trúc robot hàn (hình 1.30) chỉ gồm các khớp quay (R-R-R-R-R-R) Trong đó, Robot được nối với giá bởi ba khớp vai (một quay quanh trục thẳng đứng, khớp thứ hai và khớp thứ ba để nâng tay máy lên xuống so với mặt phẳng ngang) Khớp khuỷu thường

có trục khớp song song với khớp vai thứ hai Cổ tay được cấu tạo bởi ba khớp quay để cho khâu công tác linh hoạt

Nói chung với cấu trúc trên Robot hàn khá linh hoạt, khâu công tác có thể với đến tất cả các vị trí trong vùng làm việc, giảm thiểu ảnh hưởng của kết cấu đối với vùng công tác

1.3.3 Nguyên lý thiết kế tổng thể robot hàn

Trong thiết kế Robot, các giải pháp thiết kế đều được phát triển dựa trên các đặc tả về chức năng – yêu cầu cơ bản đặt ra Xây dựng các giải pháp thiết kế đáp ứng yêu cầu – chức năng cho trước là quá trình vừa trực quan vừa có tính hệ thống Quá trình này nhằm từng bước tiếp cận đến giải pháp thiết kế tối ưu

Người ta cũng hay chia tách hệ thống Robot thành các cụm, khối, mô đun để tiện cho quá trình thiết kế Các nguyên tắc giải pháp thiết kế các mô đun, cụm được phân tích,

so sánh, đánh giá trong khuôn khổ chung để tìm giải pháp thiết kế hệ thống tổng thể Đa phần các hệ thống Robot đều được cấu trúc ở dạng mô đun hóa như hình vẽ sau:

sẽ giúp người thiết kế đưa ra các giải pháp nhanh chóng và hiệu quả hơn, ở tất cả các bước thiết kế Hiện nay các công cụ phần mềm rất đa dạng, hỗ trợ hầu hết toàn bộ các bước thiết kế sản phẩm Robot, từ khâu thực hiện các bản vẽ, tính toán phân tích cơ học,

mô phỏng, thiết kế mạch điện, lập trình, Các công cụ phần mềm có thể được chia thành các nhóm như sau:

 Nhóm trợ giúp vẽ các bản vẽ Hầu hết tất cả các bản vẽ hiện nay kể cả cơ khí, điện tử, đều có thể thực hiện trên máy tính Các công cụ này giảm phần lớn gánh nặng cho người thiết kế từ khâu biểu diễn các đường nét, xây dựng kích thước, lắp ráp,

 Nhóm trợ giúp mô hình hóa, phân tích, mô phỏng động học, động lực học

 Nhóm tạo lập môi trường và trợ giúp lập trình điều khiển Robot

(I) Thiết kế ý tưởng (ý niệm) về Robot

- Lựa chọn cấu trúc động học - Cấu trúc động học

- Ước lượng các tham số

khâu, khớp

- Mô hình động học (các tham số D-H chẳng hạn)

- Lựa chọn nguyên lý dẫn, truyền

(II) Thiết kế và tối ưu kết cấu Robot

- Tối ưu các tham số khâu, khớp - Số bậc tự do tối thiểu, mức linh hoạt cao,

cứng vững,

- Không gian công tác tối đa

- Tối ưu tham số động học - Thời gian chuyển động tối thiểu

- Gia tốc các khớp tối thiểu

- Xây dựng tài liệu - Hướng dẫn vận hành, chỉ dẫn cần thiết

Bảng 1.1 Quá trình thiết kế Robot

Các nhóm phần mềm trên cũng còn được gọi chung là các gói phần mềm CAD/CAE Mỗi gói CAD/CAE hiện nay thường được tích hợp từ nhiều môđun với các chức năng

đa dạng: từ tạo lập các mô hình (2D, 3D), các bản vẽ chi tiết, lắp ráp, bản vẽ lắp, mô phỏng chuyển động, đến phân tích ứng suất, chuyển vị, Thậm chí nhiều gói CAD/CAE còn có cả các chức năng tổng hợp bộ điều khiển trên cơ sở mô hình hóa đối tượng điều khiển và các qui luật liên kết, chuyển động cho trước

Nhìn chung, việc sử dụng các công cụ CAD/CAE trong thiết kế Robot đem lại nhiều lợi ích Người sử dụng rất dễ đưa ra các giải pháp thiết kế, lựa chọn và thay đổi phương án kết cấu, điều chỉnh kích thước, vật liệu,

a Mô hình cơ khí robot hàn

Hình 1.41 Mô hình Robot hàn 6DOF

Bên cạnh yếu tố thẩm mỹ của robot, việc thiết kế đảm bảo các yêu cầu động lực học, phù hợp với điều kiện làm việc là rất quan trọng Thiết kế của robot hàn đã giải quyết trọn vẹn được các vấn đề trên Robot hàn có thiết kế phỏng sinh dạng tay người với sáu bậc tự do Thiết kế các khâu của robot được thể hiện từ hình 1.34 đến hình 1.41 Đế của Robot được thiết kế để có thể dễ dàng gắn lên sàn, tường, trần hoặc trên các modul di động Dựa vào hình 1.37 ta thấy khớp thứ hai và khớp thứ ba có cấu tạo khớp bản lề được bố trí lệnh Với cấu tạo này, khâu hai và khâu ba của robot sẽ có tầm hoạt động rộng hơn so với cấu tạo khớp bản lề đối xứng

Khâu ba (hình 1.38) được thiết kế bố trí động cơ dẫn động của khâu bốn nằm bên trên trục khớp ba, khi đó ảnh hưởng của moment do quán tính cũng như moment do trọng lực của động cơ đối với trục của khớp ba nhỏ

Khâu bốn (hình 1.39) được thiết kế đối xứng, trọng tâm nằm trên trục đối xứng Động

cơ dẫn động của khâu năm và khâu sáu được đặt bên trong khâu bốn Với thiết kế này, moment do trọng lực của khâu gây nên bị triệt tiêu Khi thiết kế cơ khí robot người ta luôn có xu hướng thiết kế sao cho trọng tâm của các khâu nằm gần trục quay của nó, khi

đó sẽ giảm được moment trọng lực của bản thân các khâu gây nên Hiện nay, hầu hết robot hàn của các hãng đều có thiết kế tương tự như thiết kế của robot mà tôi đề xuất Đối với robot hàn, yêu cầu về sự linh hoạt là rất quan trọng, điều này giúp cho Robot có thể bám được các đường hàn phức tạp Với cấu tạo cổ tay người ba bậc tự do nên robot hàn khá linh hoạt khi làm việc

Một số thông số của Robot hàn:

 Số trục: 6

 Tải trọng: 6kg

b Bộ truyền dẫn của robot hàn

Truyền dẫn dùng hộp giảm tốc được dùng rộng rãi trong kĩ thuật máy nói chung và trong

kĩ thuật robot nói riêng Hộp giảm tốc là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp, có

tỉ số truyền không đổi và được dùng để giảm vận tốc góc và tăng mômen xoắn

Hộp giảm tốc cũng có nhiều loại tuỳ theo tính chất của cơ cấu và loại truyền động, người

ta phân ra làm các loại sau: hộp giảm tốc bánh răng trụ; hộp giảm tốc bánh răng côn hoặc côn trụ; hộp giảm tốc trục vít, trục vít - bánh răng và bánh răng- trục vít; hộp giảm tốc bánh răng hành tinh; hộp giảm tốc bánh răng sóng và động cơ- hộp giảm tốc

Trong công nghệ robot loại hệ dẫn động thường được sử dụng là bộ truyền bánh răng sóng, bộ truyền bánh răng con lăn xicloid - hành tinh và bộ truyền vít đai ốc bi

Bộ truyền bánh răng con lăn- xicloid hành tinh có ưu điểm đạt được tỷ số truyền cao, gọn nhẹ, độ bền và độ chính xác cao hơn nhiều so với các bộ truyền khác Thích hợp với những robot có tải trọng làm việc lớn Tuy nhiên lại yêu cầu cao hơn về độ chính xác chế tạo và lắp ráp

Bộ truyền vít me đai ốc có công dụng chủ yếu là để biến chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến Có ưu điểm là hiệu suất cao, độ chính xác định vị cao, độ bền cao, tải trọng lớn và moment khởi động thấp

Còn bộ truyền cho các khớp quay sử dụng hộp giảm tốc ba cấp bánh răng trụ, dạng khai triển Được sử dụng với ưu điểm là tuổi thọ và hiệu suất cao, kết cấu đơn giản, có thể được sử dụng trong phạm vi rộng của vận tốc và tải trọng Loại bánh răng trong hộp giảm tốc có thể là răng thẳng, răng nghiêng hoặc răng chữ V Phần lớn các hộp giảm tốc

có công dụng chung dùng răng nghiêng nhờ khả năng tải lớn hơn so với răng thẳng

Bánh răng chữ V do chế tạo phức tạp nên ít sử dụng hơn, chủ yếu trong trường hợp tải nặng và không cho phép lực dọc trục lớn tác dụng lên ổ

 Hộp giảm tốc bánh răng sóng và nguyên lý hoạt động:

Hộp giảm tốc bánh răng sóng:

Hộp giảm tốc bánh răng sóng (hình 1.39) là một dạng đặc biệt của hộp giảm tốc bánh răng hành tinh Nó cải thiện được một số đặc tính nhất định so với bộ truyền bánh răng hành tinh truyền thống Nó được phát minh vào năm 1957 bởi Clarence Walton Musser

Hộp giảm tốc bánh răng sóng có ưu điểm:

 Hoạt động êm,

 Trọng lượng nhẹ, nhỏ gọn

 Tỷ số truyền cao

 Moment xoắn lớn

Nhược điểm: Độ cứng xoắn giảm theo thời gian do những thay đổi đột ngột trạng thái,

va chạm trong quá trình làm việc, cũng như những tác động của môi trường

Nguyên lý hoạt động

Hộp giảm tốc bánh răng sóng có cấu tạo gồm 3 phần:

 Phần thứ nhất: bộ tạo sóng (wave generator)

 Phần thứ hai: bánh răng sóng (flexible spline)

 Phần thứ 3: bánh răng trụ trong (circular spline)

Bộ tạo sóng (wave generator) có cấu tạo gồm một đĩa kim loại hình elíp được gắn với trục quay của nó Khi động cơ quay nó truyền chuyển động quay cho bộ tạo sóng Trong quá trình chuyển động, đĩa elíp tì lên phần trong của bánh răng sóng và làm cho nó biến dạng đồng thời khi đó bánh răng sóng và bánh răng trụ ăn khớp với nhau Do có sự chênh lệch về số răng giữa hai bánh răng nên sẽ gây ra chuyển động tương đối giữa chúng Mặt khác, bánh răng sóng được cố định nên chuyển động ở đây là chuyển động của bánh răng trụ trong, và chuyển động này ngược chiều so với chiều chuyển động của

Ví dụ: Bộ truyền bánh răng sóng với số răng của bánh răng sóng, bánh răng trụ trong

lần lượt là 200 và 202, khi đó tỉ số truyền của bộ truyền được xác định:

Hình 1.42 Cấu tạo hộp giảm tốc bánh răng sóng

Đối với robot hàn do yêu cầu chính xác cao về vị trí bám quỹ đạo cũng như vị trí lặp lại, linh hoạt, tải trọng nhỏ nên được sử dụng bộ truyền hộp giảm tốc bánh răng sóng

c Đặc điểm thiết kế các cụm chi tiết

Các truyền động song song dư có đặc trưng độ cứng vững cơ học cao, khả năng tải lớn

do sử dụng hai đường động lực Đồng thời còn có khả năng khử khe hở và khử chuyển động theo trong cấu trúc Những đặc tính trên của truyền động song song dư nếu kết hợp với dạng truyền động bánh răng Epicyclic sẽ đạt được bố trí không gian nhỏ gọn, thích hợp với kết cấu của các cổ tay robot ba bậc tự do yêu cầu năng lực công tác lớn, độ tin cậy cao cho các ứng dụng quan trọng như chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không

gian

Cổ tay là một phần trên cánh tay của robot, thông thường đây là khâu có chức năng định hướng phần công tác Trong thiết kế thường có xu hướng lấy chiều dài các khâu thuộc cánh tay lớn hơn các khâu thuộc cổ tay, những khâu này thường giữ chức năng đưa phần công tác sơ bộ đạt được định vị cần thiết Trên thực tế độ chính xác và linh hoạt của thao tác phụ thuộc khá nhiều vào cổ tay Đây cũng là khâu có kết cấu phức tạp và đa dạng được nhiều tập đoàn lớn đầu tư nghiên cứu

Cổ tay (wrist) là khâu nằm giữa bàn tay (hand) và cẳng tay (forearm), đồng thời giữ vai trò liên kết các khâu này Thông thường vì yêu cầu giảm quán tính, ưu tiên không gian thao tác lớn và hạ thấp trọng tâm phần công tác nên nguồn động lực của cổ tay và cả bàn tay được bố trí xa tâm quay của nó

Cổ tay có tối đa ba bậc tự do và thường ít gặp các cổ tay chỉ có một bậc tự do Vì giữ chức năng định hướng nên các cơ cấu cổ tay chỉ cấu tạo từ các khớp bản lề, đó còn là lí

do liên quan đến dẫn động

Cổ tay hai bậc tự do thường kết hợp với phần cơ sở có ba bậc tự do tạo thành robot năm bậc tự do Robot kiểu này có khả năng định vị và định hướng được một đường thẳng, thường dùng cho các ứng dụng phun sơn, hàn điểm, lắp ráp hoặc cấp phôi Chuyển động

của cổ tay thường là chuyển động Roll-pitch, thiếu chuyển động Yaw Điển hình cho kiểu robot này là họ Robot Scorbot

Hình 1.43 Cổ tay Robot Scorbot hai bậc tự do

Các cổ tay robot ba bậc tự do nếu truyền động bánh răng Epicyclic đòi hỏi tính toán khá phức tạp Nếu cổ tay ba bậc tự do kết hợp với phần cơ sở có đủ ba bậc tự do robot sẽ có khả năng định vị và định hướng vật thể bất kì trong không gian

Cổ tay robot có ba bậc tự do truyền dẫn bánh răng epicyclic có hai kiểu chính:

 Cổ tay nghiêng (nếu các trục quay của cổ tay không tạo với nhau những góc 90 độ), loại cổ tay này có chuyển động góc không bị giới hạn, vùng làm việc của nó là mặt cầu lí tưởng

 Cổ tay thường (nếu các trục quay của cổ tay tạo với nhau góc 90 độ), loại cổ tay này thường có 1 chuyển động pitch không toàn vòng, vùng làm việc là một phần mặt cầu Các ứng dụng cho cổ tay kiểu này thường là phun sơn, hàn đường, lắp ráp

Hình 1.44 Cơ cấu cổ tay với ba trục đồng quy

Cổ tay ba bậc tự do có một kết cấu đặc biệt là trường hợp ba trục khớp quay đồng quy tại một điểm (hình 1.41) gọi là tâm cổ tay, khi đó ba bậc tự do của khớp cổ tay tương

đương với một khớp cầu không gian Kiểu cổ tay này cho phép giải bài toán động học theo phương pháp truyền thống dễ dàng hơn vì tách riêng được hai thao tác định vị và định hướng phần công tác riêng biệt

Trong thực hành, thiết kế cổ tay đạt hiệu quả khi hội đủ các đặc điểm:

 Ba bậc tự do;

 Chuyển động cầu;

 Khoảng định hướng góc lớn;

 Khả năng nhận truyền động từ xa;

 Kích thước gọn, trọng lượng nhẹ, quán tính thấp;

 Độ lặp và độ chính xác cao;

 Độ cứng cơ học cao;

 Giá thành sản xuất thấp;

 Thiết kế tin cậy và chắc chắn

Nếu điều khiển mạch hở cổ tay phải có khả năng khử rơ ban đầu trong cấu trúc và khử khe hở sinh ra do mòn, nhằm khắc phục độ trễ của khâu chấp hành

1.4 Tóm tắt chương 1

Trong chương này trình bày các khái niệm tổng quan về robot, robotic; các định nghĩa, cấu trúc chung, ứng dụng và cách phân loại robot công nghiệp Ngoài ra, chương 1 cũng tổng kết các kiến thức cơ bản nhất về robot hàn tự động như: hệ thống robot hàn, phân loại robot hàn, đặc điểm khai thác và sử dụng robot hàn Đưa ra một mô hình robot hàn

tự động có 6 bậc tự do; phân tích cấu trúc, tính chọn bộ truyền và đưa ra được các bản

vẽ chi tiết về từng khâu của robot, bản vẽ lắp hoàn chỉnh

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN 2.1 Cơ sở lý thuyết

Để giải quyết vấn đề xác định vị trí và hướng tương đối giữa súng hàn và chi tiết gia công trong quá trình gia công của robot hàn ta có thể sử dụng hai phương pháp: phương pháp

ma trận truyền (phương pháp ma trận thuần nhất, phương pháp ma trận thuần nhất Denavit

- Hartenberg hay phương pháp ma trận Craig) và phương pháp tam diện trùng theo Trong luận văn này, tôi trình bày cơ sở lý thuyết về phương pháp ma trận Denavit – Hartenberg

và phương pháp tam diện trùng theo

2.1.1 Phương pháp ma trận truyền Denavit-Hartenberg

Để nghiên cứu động học của robot, Denavit và Hartenberg đã đề xuất phương án gắn hệ trục tọa độ lên các khâu của robot, để từ đó chuyển đổi tọa độ của điểm thao tác về hệ tọa

độ gắn liền với hệ quy chiếu cố định Hệ tọa độ Denavit – Hartenberg được xây dựng như sau:

1 Từ khâu đế - gốc, khâu và khớp được đánh số liên tiếp Gốc được xem là khâu 0, khâu cuối là khâu tác động cuối Ngoại trừ gốc và khâu cuối, các khâu còn lại đều bao gồm hai khớp Khớp thứ i liên kết khâu thứ i với khâu i-1

2 Dựng đường vuông góc chung giữa các trục của 2 khớp kề nhau Ngoại trừ gốc và khâu cuối, trục mỗi khớp (i) đều gắn với 2 đường vuông góc chung, với trục khớp động thứ (i-1) và trục khớp động thứ (i +1)

3 Thiết lập hệ tọa độ gốc, ví dụ z0 dọc theo trục khớp động thứ nhất, x0 được chọn vuông góc với z0,, trục y0 được xác định theo qui tắc bàn tay phải

4 Thiết lập hệ tọa độ bàn kẹp khâu thứ n thỏa mãn xn vuông góc với trục khớp liền trước Trục zn được chọn là hướng tiếp cận của khâu cuối

5 Gắn các hệ tọa độ Đề-các tại khớp cuối của tất cả các khâu như sau:

 Trục zi được chọn dọc theo hướng trục khớp động thứ (i+1),

 Trục xi được chọn dọc theo đường vuông góc chung giữa hai trục zi-1 và zi , hướng

từ zi-1 sang zi Nếu các trục này song song, xi có thể chọn là bất kì đường vuông góc chung của 2 trục Trong trường hợp 2 trục cắt nhau, gốc được chọn tại giao điểm và hướng trục xi được xác định qua tích hữu hướng của zi-1 và zi

 Trục yi được xác định theo qui tắc bàn tay phải

6 Xác định các thông số của khâu và các biến khớp: ai, αi, θi, di

 θi : Góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục xi

 di : dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1 chuyển đến Oi

 ai : dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi để điểm Oi-1 chuyển đến điểm Oi

 αi : góc quay quanh trục xi sao cho trục zi-1 chuyển đến trục zi

Hình 2.1 Biểu diễn các thông số Denavit – Hartenberg của khớp quay

Sau khi xây dựng được hệ tọa độ, Denavit – Hartenberg đề xuất phương án chuyển hệ tọa

độ khớp (0xyz)i sang hệ tọa độ khớp (0xyz)i-1 bằng bốn phép biến đổi cơ bản như sau:

 Quay quanh trục zi-1 một góc θi

 Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di

 Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi một đoạn ai

Hình 2.2 Robot n khâu

Xét một mô hình tổng quát của một robot có n khâu như trên hình vẽ 2.2 Như đã trình bày ở trên, ma trận i-1Hi cho ta biết :

 Vị trí của điểm Oi trong hệ quy chiếu Ri-1(Oxyz)i-1

 Hướng của vật rắn Bi trong hệ quy chiếu Ri-1(Oxyz)i-1

Như vậy, bằng cách chuyển dần hệ quy chiếu Rn từ On về On-1, On-2… và cuối cùng là

về hệ quy chiếu cố định R0 ta sẽ xác định được vị trí của điểm gốc On và hướng của khâu động thứ n trong hệ quy chiếu cố định R0

Áp dụng liên tiếp các phép biến đổi đối với robot n khâu ta có:

Ma trận Dn xác định từ (2.2) và (2.3) cho ta biết vị trí của điểm P và hướng của khâu

thao tác (bàn kẹp) của robot đối với hệ quy chiếu cố định R0

Như vậy, khi biết được các đặc tính hình học của các khâu và các quy luật chuyển động của các khớp là ta hoàn toàn có thể xác định được vị trí và hướng của khâu thao tác (bàn kẹp)

2.1.2 Phương pháp tam diện trùng theo

Phương pháp tam diện trùng theo dựa trên việc xây dựng các hệ toạ độ gắn vào chi tiết

và dụng cụ gia công tại từng thời điểm trong hệ toạ độ cơ sở, từ đó theo yêu cầu công nghệ xây dựng mối quan hệ giữa các hệ toạ độ này

Với mô hình robot hàn, ta xây dựng các tam diện là các hệ trục toạ độ vuông góc, ký

hiệu: τνβ Mỗi bề mặt của súng hàn và chi tiết hàn được đặc trưng bởi một tam diện

trùng theo Nếu giả sử súng hàn được đặc trưng bởi tam diện   k k k và bề mặt chi tiết hàn được đặc trưng bởi tam diện

i i i

f f f

   tại mỗi thời điểm của nó Như vậy, với mỗi loại bề mặt gia công khác nhau sẽ có các kiểu tam diện khác nhau đặc trưng cho vị trí của nó Để thực hiện quá trình hàn thì súng hàn chuyển động theo một quy luật xác định trong hệ toạ độ chi tiết sao cho tại mỗi thời điểm thì các tam diện   k k k và

i i i

f f f

  thoả mãn các điều kiện về vị trí và hướng của hai tam diện này mà đó chính là yêu cầu công nghệ của quá trình hàn

Giả sử, thao tác công nghệ của robot hàn là hàn ghép nối phần ống hình trụ lên một cụm chi tiết máy Mối hàn là giao tuyến giữa ống hình trụ và mặt phẳng trên chi tiết Giả sử

trục z của ống trụ vuông góc với bề mặt chi tiết thì mối hàn là một đường tròn Để xác

định quy luật chuyển động tương đối của đầu mỏ hàn trong hệ tọa độ của đối tượng, cần căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của quá trình công nghệ Không giảm tổng quát, giả sử yêu cầu kỹ thuật trong quá trình hàn là trục mỏ hàn k nằm trong mặt phẳng đi qua trục z

của ống trụ, đồng thời nghiêng với trục này một góc 

Hình 2.3 Mối hàn thực hiện bởi robot hàn

O d1

O fi

r

KMối hàn

1

Gắn vào bàn kẹp (đồ gá) của bàn máy robot mang chi tiết gia công hệ tọa độ O x y zd d d d gọi là hệ tọa độ chi tiết hoặc hệ tọa độ vật Trục z được xác định trong O x y zd d d dbởi hai thông số  và  Sử dụng các ký hiệu:

 O d1 - tâm đường tròn mối hàn

 Vị trí O d1 trong O x y zd d d d: x y z1, 1, 1, tịnh tiến hệ tọa độ O x y zd d d d theo x y z1, 1, 1 ta

có O d1 x d1 y d1 z d1 Quay hệ tọa độ O d1 x d1 y d1 z d1 lần lượt quanh các trục tương ứng z d1

 Gọi bán kính đường tròn mối hàn là r Các điểm trên đường hàn “i”, được xác

định bởi góc φi so với vị trí đầu tiên được ký hiệu “1”

 Gắn vào mỗi điểm trên đường hàn một hệ tọa độ Ofi  fi fi fi- gọi là tam diện, dùng

để mô tả trạng thái đường gia công (mối hàn) tại mỗi vị trí thao tác, sao cho fi- tiếp tuyến với đường tròn mối hàn, fi- xác định theo trục pháp tuyến, fi- xác định theo trục trùng pháp tuyến bằng các dịch chuyển sau: Quay hệ tọa độ ' ' '

Bảng 2.1 Các tham số xác định trạng thái đường gia công trong hệ tọa độ chi tiết

TT Hệ tọa độ x y z rotx roty rotz Hệ tọa độ

trên đường hàn nên phương pháp đưa ra điều kiện ràng buộc này gọi là phương pháp

tam diện trùng theo không hoàn toàn, hướng của các cặp trục k &fi, k &fi có thể không trùng nhau Các phương pháp thực hiện dịch chuyển tịnh tiến và quay ở trong

bảng đều thuộc các phép tịnh tiến và quay cơ bản các hệ tọa độ Trong các tham số của

6 phép dịch chuyển chỉ có i thay đổi và có thể coi là hàm của thời gian (t) Ta có:

2.1.3 Thiết lập phương trình động học robot

a Ma trận trạng thái của khâu thao tác theo dây chuyền động học

Áp dụng (2.2) và (2.3), đối với robot n khâu, vị trí của điểm tác động cuối và hướng của

khâu thao tác của robot được xác định bởi ma trận D-H như sau:

+ 0rn : Xác định vị trí gốc tọa độ của hệ tọa độ O p x p y p z p so với hệ tọa độ cơ sở O o x o y o z o

b Ma trận trạng thái của khâu thao tác theo yêu cầu công nghệ

Từ yêu cầu công nghệ, khâu thao tác của robot phải di chuyển trong không gian theo một quỹ đạo xác định trước Đối với robot hàn thì đây là đường cong mối hàn (còn gọi

là quỹ đạo hàn) Khi đó, ví trí và hướng của khâu tác động cuối chính là vị trí và hướng

của hệ tọa độ O p x p y p z p được xác định phụ thuộc dạng quỹ đạo hàn, được biểu diễn bởi

ma trận 0Kfi Chỉ số fi chỉ ra rằng ma trận này được xác định tại mỗi điểm i thuộc quỹ

đạo hàn f

Sử dụng 3 góc quay Cardan với 3 phép quay cơ bản quanh trục x, y, z lần lượt 3 góc

𝛼, 𝛽, 𝜂 và tịnh tiến theo 3 trục tọa độ x, y, z khoảng cách lần lượt là x p , y p ,z p ta xác định

được 0Kfi như sau:

Với c = cos ; s = sin ; rotx = 𝛼 ; roty = 𝛽 ; rotz = 𝜂

Ta viết lại (2.9) như sau:

Trong (2.11) và (2.12) các phần tử của nó được xác định từ quỹ đạo chương trình và là

hàm của thời gian t

c Phương trình động học của robot

Ta có Dn mô tả từ công thức (2.6) và ma trận 0Kfi mô tả từ công thức (2.9) đều xác định

hướng và vị trí của khâu thao tác trong hệ tọa độ cơ sở Do vậy ta có: