Tính toán, thiết kế và mô phỏng robot hàn trên dây chuyền hàn thân xe ô tô tự động

Ngày nay, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật công nghệ cao như tin học, công nghệ thông tin, điều khiển tự động, robot công

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG

ROBOT HÀN TRÊN DÂY CHUYỀN HÀN THÂN XE

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined.

1.1 TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT Error! Bookmark not defined.

1.2 HÀN VÀ CÔNG NGHỆ HÀN Error! Bookmark not defined.

1.2.1 Khái niệm hàn Error! Bookmark not defined.

1.2.2 Phân loại hàn Error! Bookmark not defined.

1.2.3 Ứng dụng công nghệ hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô.Error! Bookmark not defined.

1.3 ROBOT CÔNG NGHIỆP Error! Bookmark not defined.

1.3.1 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp Error! Bookmark not defined.

1.3.2 Bậc tự do của robot Error! Bookmark not defined.

1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng Error! Bookmark not defined.

1.3.4 Một số hình ảnh về robot và ứng dụng của nó:Error! Bookmark not defined.

1.4 THIẾT KẾ SƠ BỘ ROBOT HÀN Error! Bookmark not defined.

1.4.1 Đối tượng hàn và quá trình hàn Error! Bookmark not defined.

1.4.2 Lựa chọn cấu trúc robot hàn điểm Error! Bookmark not defined.

1.4.3 Giới thiệu phần mềm thiết kế CATIA Error! Bookmark not defined.

1.4.4 Thiết kế sơ bộ robot hàn điểm và dây chuyền hàn bằng phần

mềm CATIA Error! Bookmark not defined Chương 2 Error! Bookmark not defined ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ĐIỂM Error! Bookmark not defined.

2.1 THAO TÁC CÔNG NGHỆ VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐIỂM HÀNError! Bookmark not defined.

2.2 XÂY DỰNG CÁC HỆ TOẠ ĐỘ CỦA CÁC KHÂU CHO ROBOT

Error! Bookmark not defined.

2.3 TOẠ ĐỘ THUẦN NHẤT VÀ MA TRẬN BIẾN ĐỔI THUẦN

NHẤT Error! Bookmark not defined.

2.4.2 Bài toán động học ngược của robot Error! Bookmark not defined.

2.5 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC BẰNG PHẦN MỀM MAPLE 9.5

Error! Bookmark not defined.

2.5.1 Giới thiệu phần mềm Maple Error! Bookmark not defined.

2.5.2 Lập trình và kết quả giải bài toán động học về vị trí Error! Bookmark not defined.

Chương 3 Error! Bookmark not defined ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT HÀN ĐIỂMError! Bookmark not defined.

3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MSC.DYNAMIC DESIGNER

MOTION Error! Bookmark not defined.

3.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN BẰNG PHẦN

MỀM DDM Error! Bookmark not defined Chương 4 Error! Bookmark not defined TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN VÀ THIẾT KẾ ROBOT Error! Bookmark not defined.

4.1 THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP Error! Bookmark not defined.

4.1.1 Bộ truyền bánh răng sóng (The Harmonic Drive) Error! Bookmark not defined.

4.1.2 Bộ truyền bánh răng con lăn - Cycloid hành tinh Error! Bookmark not defined.

4.1.3 Truyền động vít đai ốc bi Error! Bookmark not defined.

4.1.4 Truyền động thuỷ khí Error! Bookmark not defined.

4.1.5 Động cơ dẫn động Error! Bookmark not defined.

4.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU ROBOT HÀN Error! Bookmark not defined.

4.2.1 Tính chọn bộ truyền Error! Bookmark not defined.

4.2.2 Tính chọn ổ đỡ, ổ chặn Error! Bookmark not defined.

4.2.3 Thiết kế kết cấu Error! Bookmark not defined.

4.2.4 Tính bền Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn do tôi hoàn thành Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Đỗ Anh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 4

LỜI CẢM ƠN 6

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 9

TỔNG QUAN 9

1.1 TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 9

1.2 HÀN VÀ CÔNG NGHỆ HÀN 10

1.2.1 Khái niệm hàn 10

1.2.2 Phân loại hàn 11

1.2.3 Ứng dụng công nghệ hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô 13

1.3 ROBOT CÔNG NGHIỆP 15

1.3.1 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp 16

1.3.2 Bậc tự do của robot 19

1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng 20

1.3.4 Một số hình ảnh về robot và ứng dụng của nó: 22

1.4 THIẾT KẾ SƠ BỘ ROBOT HÀN 23

1.4.1 Đối tượng hàn và quá trình hàn 23

1.4.2 Lựa chọn cấu trúc robot hàn điểm 24

1.4.3 Giới thiệu phần mềm thiết kế CATIA 26

1.4.4 Thiết kế sơ bộ robot hàn điểm và dây chuyền hàn bằng phần mềm CATIA 35

Chương 2 42

ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ĐIỂM 42

2.1 THAO TÁC CÔNG NGHỆ VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐIỂM HÀN 42

2.2 XÂY DỰNG CÁC HỆ TOẠ ĐỘ CỦA CÁC KHÂU CHO ROBOT 44 2.3 TOẠ ĐỘ THUẦN NHẤT VÀ MA TRẬN BIẾN ĐỔI THUẦN NHẤT 48

2.4 ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN 53

2.4.1 Bài toán động học thuận của robot 55

2.4.2 Bài toán động học ngược của robot 58

2.5 GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC BẰNG PHẦN MỀM MAPLE 9.5 60 2.5.1 Giới thiệu phần mềm Maple 60

2.5.2 Lập trình và kết quả giải bài toán động học về vị trí 60

Chương 3 66

ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ PHỎNG ROBOT HÀN ĐIỂM 66

3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MSC.DYNAMIC DESIGNER

MOTION 67

3.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN BẰNG PHẦN MỀM DDM 70

Chương 4 74

TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN VÀ THIẾT KẾ ROBOT 74

4.1 THIẾT BỊ TRUYỀN ĐỘNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 74

4.1.1 Bộ truyền bánh răng sóng (The Harmonic Drive) 75

4.1.2 Bộ truyền bánh răng con lăn - Cycloid hành tinh 83

4.1.3 Truyền động vít đai ốc bi 86

4.1.4 Truyền động thuỷ khí 87

4.1.5 Động cơ dẫn động 89

4.2 THIẾT KẾ KẾT CẤU ROBOT HÀN 93

4.2.1 Tính chọn bộ truyền 94

4.2.2 Tính chọn ổ đỡ, ổ chặn 98

4.2.3 Thiết kế kết cấu 102

4.2.4 Tính bền 103

KẾT LUẬN 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Hệ thống robot hàn thân xe ô tô tự động 10

Hình 1.2: Nguyên lý hàn điểm 13

Hình 1.3: Các thành phần chính của hệ thống robot 17

Hình 1.4: Cánh tay robot 6 bậc tự do Hình 1.5: Robot hàn điểm 22

Hình 1.6: Robot phay sản phẩm Hình 1.7: Robot cắt laze 22

Hình 1.8: Robot trên dây chuyền hàn thân xe ô tô 23

Hình 1.9: Robot cấp dỡ phôi Hình 1.10: Robot gắp chi tiết

cho máy dập cho máy ép nhựa 23

Hình 1.11: Kích thước cơ bản của thân xe ô tô 24

Hình 1.12: Cấu trúc của robot hàn 25

Hình 1.13: Các modul của phần mềm CATIA 28

Hình 1.14: Giao diện người dùng của CATIA 29

Hình 1.15: Modul Mechanical Design 30

Hình 1.16: Giao diện nhánh Sketcher 31

Hình 1.17: Cách đăng nhập vào nhánh Part Design 32

Hình 1.18: Giao diện nhánh Part Design 32

Hình 1.19: Giao diện nhánh Assembly Design 33

Hình 1.20: Mối liên kết giữa các nhánh khi thiết kế sản phẩm trong CATIA 34 Hình 1.21: Giao diện các thanh Toolbars trong nhánh Generative Drafting 35

Hình 1.22: Mô hình khâu “0” 36

Hình 1.23: Mô hình khâu 1 36

Hình 1.24: Mô hình khâu 2 37

Hình 1.25: Mô hình khâu 3 37

Hình 1.26: Mô hình khâu 4 38

Hình 1.27: Mô hình khâu 5 38

Hình 1.28: Mô hình khâu 6 39

Hình 1.29: Mô hình robot hàn 39

Hình 1.30: Kích thước cơ bản của robot hàn 40

Hình 1.31: Bố trí robot hàn trong dây chuyền hàn thân xe ô tô 41

Hình 2.1: Toạ độ điểm hàn 42

Hình 2.2: Súng hàn kiểu chữ X 43

Hình 2.3: Toạ độ điểm hàn và đầu hàn 43

Hình 2.4: Chiều dài và góc xoắn của một khâu 45

Hình 2.5: Các thông số của khâu: q, d, a và α 45

Hình 2.6: Hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot 47

Hình 2.7: Cơ hệ robot hàn và thân xe ô tô 48

Hình 2.8: Giao diện chương trình tính toán động học 62

Hình 2.9: Quỹ đạo khâu 1 62

Hình 2.10 Quỹ đạo khâu 2 63

Hình 2.11: Quỹ đạo khâu 3 63

Hình 2.12: Quỹ đạo khâu 4 64

Hình 2.13: Quỹ đạo khâu 5 64

Hình 2.14: Quỹ đạo khâu 6 65

Hình 2.15: Quỹ đạo chuyển động của đầu mỏ hàn 65

Hình 3.1: Giao diện làm việc và thanh trình duyệt của DDM trong Inventor 67 Hình 3.2: Quy trình sử dụng DDM 69

Hình 3.3: Giá trị mô mem trên khớp 1 71

Hình 3.4: Giá trị mô mem trên khớp 2 72

Hình 3.5: Giá trị mô mem trên khớp 3 72

Hình 3.6: Giá trị mô mem trên khớp 4 72

Hình 3.7: Giá trị mô mem trên khớp 5 73

Hình 3.8: Giá trị mô mem trên khớp 6 73

Hình 4.1 Cấu tạo bộ truyền bánh răng sóng 75

Hình 4.2: Cấu hình dẫn động và tỉ số truyền tương ứng của bộ truyền bánh răng sóng 82

Hình 4.3: Bố trí bộ truyền bánh răng sóng trong cánh tay robot SCARA 83

Hình 4.4: Sơ đồ hộp giảm tốc bánh răng cycloid hành tinh 83

Hình 4.5: Sơ đồ tạo hình ăn khớp bánh răng cycloid 84

Hình 4.6: Bộ truyền bánh răng con lăn-epicycloid 85

Hình 4.7: Bộ truyền bánh răng con lăn hypocycloid 85

Hình 4.8: Sơ đồ kết cấu bộ truyền vít bi đai ốc 87

Hình 4.9: Động cơ bước 91

Hình 4.10: Động cơ servo và driver điều khiển 93

Hình 4.11: Đồ thị tải trọng 94

Hình 4.12: Sơ đồ tính lực 98

Hình 4.13: Giao diện tính chọn và kết quả tính chọn ổ đỡ 100

Hình 4.14: Giao diện tính chọn và kết quả tính chọn ổ chặn 101

Hình 4.15 Kết cấu khớp 1 102

Hình 4.16 Giao diện nhánh Generative Structural Analysis 104

Hình 4.17 Khai báo tải trọng và liên kết cho khâu 0 104

Hình 4.18 Giá trị ứng suất 105

Hình 4.19 Giá trị chuyển vị 105

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp, em luôn nhận được sự giúp đỡ, động viên của gia đình, người thân và sự dạy bảo của các thầy cô giáo Trường Đại học Bách khoa Hà nội

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Khoa Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã tận tình dạy bảo em trong suốt khoá học Em muốn đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS Phan Bùi Khôi đã hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng, em xin cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ và giúp đỡ em trong suốt khoá học

MỞ ĐẦU

Tự động hoá quá trình sản xuất nhằm giải phóng sức lao động của con người, nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu suất, làm giảm giá thành sản phẩm và tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm Chất lượng sản phẩm và tính cạnh tranh của nó là những yếu tố rất quan trọng để làm nên thành công của doanh nghiệp nói riêng và của nền kinh tế của một quốc gia nói chung

Ngày nay, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật công nghệ cao như tin học, công nghệ thông tin, điều khiển tự động, robot công nghiệp… đã làm cho việc tự động hoá quá trình sản xuất ngày càng phát triển, công nghệ sản xuất chuyển sang thời kỳ

mới: thời kỳ “công nghệ sản xuất tiên tiến” (Advanced Manufacturing

Technology) mà trong đó robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong quá trình tự động hoá sản xuất Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng robot vào sản xuất tự động được quan tâm nghiên cứu rộng rãi

Trong thực tế sản xuất có rất nhiều những sản phẩm hàn đòi hỏi sản lượng nhiều, độ chính xác cao, chất lượng mối hàn đồng đều và tốt mà nếu hàn bằng tay thì không thể đáp ứng được Ví dụ như trong lĩnh vực hàn của ngành công nghiệp ô tô, xe máy, đóng tàu, … Qua tìm hiểu thực tế thì ở nước ta hiện nay

có rất nhiều nhà máy sản xuất ô tô như Công ty TOYOTA Việt Nam, Công ty HONDA Việt Nam, Công ty Ford Việt Nam, Công ty Daewoo Bus Việt Nam, Vinaxuki, … và đa số các nhà máy đóng tàu thì hầu hết các mối hàn được thực hiện bằng phương pháp hàn thủ công, người công nhân điều khiển thiết

bị hàn và thực hiện hàn bằng tay Do vậy, chất lượng mối hàn, độ đồng đều kém, thời gian hàn lâu, hơn nữa, do thao tác hàn lặp đi lặp lại nên dễ gây ra hiện tượng mệt mỏi và nhàm chán của người công nhân Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cho phép ta triển khai các ứng dụng của robot công nghiệp

vào quá trình hàn để tự động hoá quá trình hàn nhằm mang lại hiệu quả kinh

tế cao, giảm ảnh hưởng độc hại của khí hàn đến sức khoẻ con người, tăng chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm, cải thiện môi trường cũng như hình ảnh của doanh nghiệp, sẽ giúp doanh nghiệp hoạt động hiệu quả hơn và mang lại

sự phát triển chung cho cả xã hội

Hơn nữa, hiện nay ở nước ta đã và đang nhập khẩu rất nhiều những thiết bị hiện đại phục vụ cho ngành chế tạo máy, trong đó có các robot công nghiệp Việc đào tạo những kỹ sư, cán bộ khoa học kỹ thuật có kiến thức và trình độ hiểu biết đối với những thiết bị này trước tiên để khai thác và sử dụng có hiệu quả và tiến tới có thể làm chủ từ khai thác, sử dụng và thiết kế chế tạo ra chúng là rất cấp bách và cần thiết

Với những lý do trên, đề tài: “Tính toán, thiết kế và mô phỏng robot hàn trên

dây chuyền hàn thân xe ôtô tự động” đã được em chọn làm đề tài luận văn tốt

nghiệp Thạc sỹ

Luận văn này tập trung nghiên cứu, tính toán động học, động lực học và thiết

kế robot công nghiệp dùng trong dây chuyền hàn thân xe ô tô Nội dung bao gồm 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về tự động hoá sản xuất, công nghệ hàn và robot hàn Chương 2: Động học robot hàn điểm

Chương 3: Động lực học và mô phỏng robot hàn điểm

Chương 4: Tính chọn bộ truyền và thiết kế robot

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 TỰ ĐỘNG HOÁ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

Từ rất lâu, loài người trên thế giới luôn mong muốn chế tạo ra các loại máy có khả năng thay thế sức lao động của mình trong các hoạt động sản xuất ra của cải vật chất và các công việc thường ngày

Vào năm 1765, chiếc máy tự động đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp

do một thợ cơ khí người Nga có tên là Pônzunôp chế tạo dùng để giữ cố định mực nước trong nồi hơi mà không phụ thuộc vào lượng tiêu hao hơi nước Sau đó có rất nhiều các máy, cơ cấu tự động được áp dụng trong công nghiệp như máy tiện chép hình, máy tiện tự động có ổ cấp phôi và trục phân phối mang các cam đĩa và cam thùng

Ngày nay, nhờ các thành tựu to lớn của khoa học công nghệ, đặc biệt là sự xuất hiện của một loạt các công nghệ mũi nhọn như kỹ thuật linh hoạt (Agile engineering), hệ thống điều hành sản xuất qua màn hình (Visual Manufacturing Systems), kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping) và công nghệ Nano (Nano Technology) đã cho phép thực hiện tự động hoá toàn phần cả trong sản xuất hàng khối cũng như trong sản xuất loạt nhỏ và đơn chiếc điều mà trước kia khó có thể thực hiện được Nhờ những thành tựu đó

mà hàng loạt các máy móc thiết bị và hệ thống tự động hoá hoàn toàn mới phục vụ cho lĩnh vực công nghiệp chế tạo máy như các loại máy điều khiển số

NC, các trung tâm gia công CNC, các hệ thống điều khiển theo chương trình PLC (Programmable Logic Control), các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems), các hệ thống sản xuất tích hợp CIM (Computer Intergrated Manufacturing) cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm

gia công với thời gian chuẩn bị sản xuất ít nhất, rút ngắn chu kỳ sản xuất sản phẩm, đáp ứng tốt tính thay đổi nhanh của sản xuất hiện đại, nâng cao chất lượng, số lượng sản phẩm và giảm giá thành để tăng tính cạnh tranh cho sản phẩm nhằm thoả mãn nhu cầu của người tiêu dùng

1.2 HÀN VÀ CÔNG NGHỆ HÀN

Trong chế tạo cơ khí, công nghệ hàn đóng một vai trò quan trọng Song song với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì công nghệ hàn cũng có những phát triển tương xứng nhờ việc ứng dụng các thiết bị công nghệ mới vào quá trình hàn

Ngày nay, trên thế giới có rất nhiều phương pháp, công nghệ hàn và thiết bị hàn khác nhau từ hàn thủ công (bằng tay của người thợ hàn) cho đến hàn bán

tự đông và hàn tự động; từ các thiết bị hàn đơn giản, thô sơ và đơn lẻ cho đến những hệ thống, dây chuyền robot hàn bán tự động hoặc tự động hoàn toàn

Hình 1.1: Hệ thống robot hàn thân xe ô tô tự động

1.2.1 Khái niệm hàn

- Khái niệm hàn: Hàn là phương pháp công nghệ nối các kim loại hoặc phi

kim loại với nhau bằng cách nung nóng chỗ nối đến trạng thái hàn (chảy hoặc

dẻo) Sau đó kim loại hoá rắn hoặc thông qua có lực ép, chỗ nối tạo thành mối liên kết bền vững gọi là mối hàn

- Nguyên lý hàn: Khi hàn nóng chảy kim loại ở chỗ hàn đạt tới trạng thái

lỏng Sự nóng chảy cục bộ của kim loại cơ bản được thực hiện tại các mép của phần tử ghép Có thể hàn bằng cách làm chảy kim loại cơ bản hoặc làm chảy kim loại cơ bản và vật liệu bổ sung Kim loại cơ bản, hoặc kim loại cơ bản và kim loại bổ sung nóng chảy tự rót vào bể hàn và tẩm ướt bề mặt rắn của các phần tử ghép Khi tắt nguồn đốt nóng kim loại lỏng nguội và đông đặc - kết tinh, sau khi bể hàn kết tinh tạo thành mối hàn nguyên khối với cấu trúc liên kết hai chi tiết làm một

- Ưu điểm:

Hàn là quá trình công nghệ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo và phục hồi các kết cấu và chi tiết Hàn có các ưu điểm sau:

+ Tiết kiệm kim loại

+ Nối được kim loại có các tính chất khác nhau

+ Tạo được các chi tiết, kết cấu máy phức tạp mà các phương pháp khác không làm được hoặc khó khăn

+ Độ bền mối hàn cao, mối hàn kín

b Hàn áp lực:

Hàn nóng chảy

Hàn laser (Laser beam welding)

Hàn plasma (Plasma welding)

Hàn chùm tia điện tử (Electric beam welding)

Hàn hồ quang (ARC welding)

Hàn điện xỉ (electrosleg welding)

Hàn khí (gas welding)

Hàn nhiệt (thermit welding)

Hàn giáp mối (butt welding)

Hàn điểm (spot welding)

Hàn đường (seam welding)

Hàn rèn

1.2.3 Ứng dụng công nghệ hàn trong các nhà máy sản xuất ô tô

Trong công nghiệp chế tạo ô tô, thân xe ô tô được chế tạo từ các chi tiết rời được hàn lại với nhau bằng phương pháp hàn hồ quang hoặc là hàn điểm Trong đó, phương pháp hàn điểm (Spot welding hay Resistance welding) được sử dụng rộng rãi để liên kết các chi tiết của thân xe ô tô (ô tô con)

Hàn điểm là gì?

Hàn điểm là một phương pháp hàn dùng để liên kết giữa các kim loại với nhau bởi nhiệt (Q) thu được từ điện trở của vật liệu khi cho dòng điện (I) đi qua vùng vật liệu cần hàn và bởi áp lực trong khoảng thời gian hàn (t) Các biến số quan trọng ảnh hưởng tới khả năng hàn bao gồm dòng điện hàn, áp lực điện cực và thời gian hàn

Hình 1.2: Nguyên lý hàn điểm

Phương pháp hàn điểm nằm trong nhóm hàn áp lực, các liên kết được nối lại với nhau bằng những điểm hàn Vật hàn được nung nóng cục bộ tại vùng bề

mặt cực hàn đến trạng thái dẻo, chịu lực ép tạo thành các điểm hàn Các điện cực hàn vừa làm nhiệm vụ dẫn điện để nung nóng, vừa truyền lực ép sơ bộ và

ép kết thúc

Ưu nhược điểm

Ưu điểm của hàn điểm là chi phí rẻ, tốn ít năng lượng, chất lượng của mối hàn rất tốt, có khả năng tự động hóa cao và rất phù hợp với hàn chi tiết mỏng (như thân xe ô tô)

Nhược điểm của hàn điểm là mối hàn không kín

Lĩnh vực ứng dụng

Hàn điểm tiếp xúc được sử dụng rộng rãi trong việc liên kết các tấm thép có chiều dày lên tới 0.125 inch và có thể sử dụng cho rất nhiều loại vật liệu, kể

cả kết hợp nhiều vật liệu khác nhau

Những lĩnh vực công nghiệp chính ứng dụng hàn điểm là:

- Công nghiệp ô tô

- Hàng không

- Sườn xe lửa, đường ray

- Công nghiệp điện, điện tử

- Vật gia dụng

- Dụng cụ y học

- Thiết bị hạt nhân

- Đồ ăn, uống, …

Ứng dụng công nghệ hàn điểm trong công nghiệp sản xuất ô tô

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của hàn điểm tiếp xúc là trong công nghiệp ô tô với những ưu điểm chính là tốc độ nhanh, phù hợp để tự động hóa và dễ đưa vào các dây chuyền năng suất cao cùng với các bước sản

xuất khác Bằng việc điều khiển các giá trị dòng điện, thời gian hàn và áp lực của điện cực bằng máy tính, các mối hàn chất luợng tốt có thể được tạo ra với tốc độ sản xuất cao, chi phí lao động thấp, không đòi hỏi nhân công lành nghề

Hiện nay, ở nước ta có rất nhiều nhà máy sản xuất ô tô nhưng thân xe ô tô chủ yếu vẫn được hàn bằng phương pháp hàn thủ công, người công nhân điều khiển súng hàn và thực hiện hàn bằng tay Do vậy, chất lượng mối hàn, độ đồng đều kém, thời gian hàn lâu và do thao tác hàn lặp đi lặp lại nên dễ gây ra hiện tượng mệt mỏi, nhàm chán của người công nhân

Ở các nước có nền công nghiệp sản xuất ô tô phát triển, thân xe ô tô được chế tạo trong một dây chuyền hàn hoàn toàn tự động Robot nhấc và định vị chính xác các chi tiết thân ô tô vào đồ gá và được kẹp chặt bởi các cơ cấu tự động Sau đó các robot hàn tự động hàn các mối hàn đã được lập trình sẵn (Hình 1.1)

1.3 ROBOT CÔNG NGHIỆP

Ngày nay, robot nói chung và robot công nghiệp (Industrial Robot – IR) nói riêng ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nhưng trong hoạt động sản xuất Robot công nghiệp có vai trò quan trọng trong việc tự động hóa quá trình sản xuất Việc ứng dụng kỹ thuật robot trong công nghiệp là nhằm mục tiêu nâng cao năng suất, chất lượng, tính cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc và thay thế sức lao động của con người, đẩy nhanh sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Đặc biệt, trong thời kỳ kinh tế thị trường, sự cạnh tranh hàng hóa, nhu cầu tiêu dùng của con người đã khiến cho hệ thống tự động hóa sản xuất phải

có tính linh hoạt cao mà trong đó robot công nghiệp là bộ phận cấu thành

không thể thiếu được trong việc tạo ra những hệ thống tự động sản xuất linh hoạt đó

Theo tài liệu [1] thì: “Robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một

số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo gắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng” Theo ISO 8373 [10] thì: “Robot là một tay máy đa mục tiêu có ba trục hoặc nhiều hơn, có thể lập trình, điều khiển tự động” Còn theo Viện Robot Hoa kỳ - 1979 (The Robot Institute of America) [10] thì: “Robot là một tay máy đa chức năng, có thể lập trình lại, được thiết

kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dụng nhờ hàng loạt các chuyển động khác nhau đã được lập trình để thực hiện một loạt các nhiệm vụ khác nhau”

1.3.1 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp

Cấu trúc của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến,

bộ điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính và các phần mềm lập trình Mối quan

hệ giữa các thành phần trong robot như hình vẽ dưới đây:

Hình 1.3: Các thành phần chính của hệ thống robot

- Cánh tay robot (Robot Arm): Là bộ phận cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bởi các khớp nối, các bộ truyền động như: Bộ truyền bánh răng, bộ truyền đai, bộ truyền trục vít - bánh ví, vít me - đai ốc… Cánh tay robot có cấu tạo rất đa dạng, tùy thuộc vào mục đích sử dụng trong dây chuyền công nghệ Cánh tay robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot

- Nguồn động lực: Các thiết bị tạo chuyển động cho Robot, có thể là các thiết bị khí nén, thuỷ lực, điện

Đối với các chuyển động cần độ chính xác cao, yêu cầu gọn nhẹ người ta có thể dùng các loại nguồn truyền động là các motor bước, các motor servo

- Bộ điều khiển (Controller): Là thành phần quan trọng quyết định khả năng hoạt động và độ chính xác của robot Bộ phận này thông thường được tích hợp dưới dạng các board mạch điều khiển

Dụng cụ thao tác

Cánh tay Robot

Bộ điều khiển và máy tính

Nguồn động lực Cảm biến

Các chương trình

Giao diện và

các phần mềm

giao tiếp

- Cảm biến (Sensor): Là thiết bị chuyển các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện cung cấp cho hệ thống nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và độ chính xác trong điều khiển Như vậy Robot chính là một hệ thống điều khiển kín với vòng hồi tiếp (Feedback) được thực hiện từ tín hiêu thu về từ cảm biến Các loại cảm biến thường gặp như:

- Dụng cụ thao tác: Dụng cụ được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn

- Giao diện và các phần mềm giao tiếp: Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học)

Phân loại robot công nghiệp

Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng về chủng loại, ta có thể phân loại theo các cách sau:

- Phân loại theo kết cấu:

Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA.v.v

- Phân loại theo vị trí công tác:

Theo cách phân loại này ta có các loại robot như: robot cấp phôi, robot vận chuyển, robot vạn năng.v.v

- Phân loại theo ứng dụng:

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v

- Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển:

Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo): sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển

Trong đó:

f: Số bậc tự do của robot

n: Số khâu của robot bao gồm cả giá

λ: Số bậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của robot (λ = 3 - không gian hai chiều, λ = 6 - không gian ba chiều)

fi: Số bậc tự do của khớp thứ i

g: Tổng số khớp của cơ cấu

fc: Số liên kết thừa

fr: Số bậc tự do thừa

1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng

Ưu nhược điểm

- Ưu điểm

+ Làm việc không biết mệt mỏi, có thể thay đổi chương trình điều khiển theo mục đích thao tác công nghệ Robot có khả năng “cảm thấy” được cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm

+ Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ

vì chúng có thể thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu,

dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn Do đó làm giảm giá thành sản phẩm

+ Cải thiện điều kiện lao động Trong thực tế sản xuất có rất nhiều môi trường độc hại, có phóng xạ và các môi trường làm việc có nhiệt độ cao.v.v…

có thể gây nguy hiểm đối với sức khỏe con người Nhưng robot có thể làm việc tốt trong các môi trường này Đây là một ưu điểm mà chúng ta cần quan tâm nhất để robot ngày càng phục vụ tốt hơn cho con người

Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả năng của con người, do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc

và độc hại

- Nhược điểm

+ Vốn đầu tư ban đầu lớn

+ Người lập trình, khai thác sử dụng đòi hỏi phải có một trình độ nhất định

+ Độ linh hoạt chưa cao Nhược điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người

Phạm vi ứng dụng

Nhờ có những ưu điểm nổi trội như đã trình bày ở trên nên robot nói chung và robot công nghiệp nói riêng ngày càng được ứng dụng rộng rãi và hiểu quả trong tất cả các lĩnh vực hoạt động sản xuất cũng như trong cuộc sống thường ngày nhằm phục vụ cho con người

- Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, gia công áp lực, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm.v.v…

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao, tự động hoàn toàn không có sự tham gia trực tiếp của con người, rất linh hoạt và không đòi hỏi đầu tư lớn Ở đây các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình (ứng dụng PLC vào lập trình điều khiển cho cả hệ thống)

- Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội (robot cảnh sát giao thông ở Hàn Quốc).v.v…

1.3.4 Một số hình ảnh về robot và ứng dụng của nó:

Hình 1.4: Cánh tay robot 6 bậc tự do Hình 1.5: Robot hàn điểm

Hình 1.6: Robot phay sản phẩm Hình 1.7: Robot cắt laze

Hình 1.8: Robot trên dây chuyền hàn thân xe ô tô

Hình 1.9: Robot cấp dỡ phôi Hình 1.10: Robot gắp chi tiết

cho máy dập cho máy ép nhựa

1.4 THIẾT KẾ SƠ BỘ ROBOT HÀN

1.4.1 Đối tượng hàn và quá trình hàn

Đối tượng hàn được đề cập trong luận văn này là thân xe ô tô con Robot sẽ

thực hiện các mối hàn điểm để ghép các chi tiết thân xe ô tô thành một kết cấu

thân xe hoàn chỉnh Kích thước cơ bản của thân xe như hình vẽ sau:

Hình 1.11: Kích thước cơ bản của thân xe ô tô

Quá trình hàn thân xe ô tô là một loạt các thao tác phức tạp, ta có thể mô tả quá trình hàn như sau: Thân xe ô tô được gá trên đồ gá hàn và di chuyển trên một đường ray Khi đồ gá di chuyển tới vị trí thực hiện công nghệ hàn (đã được xác định trước) thì dừng lại và phát tín hiệu cho robot hàn thực hiện quá trình hàn Các điểm hàn phân bố trong không gian 3D và tại mỗi điểm hàn thì đầu mỏ hàn phải đảm bảo vuông góc với bề mặt chi tiết hàn Sau một khoảng thời gian robot hàn thực hiện xong các mối hàn thì đồ gá thân xe sẽ di chuyển tới ví trí bước công nghệ tiếp theo và đồng thời đồ gá mang thân xe khác sẽ di chuyển đến và tiếp tục thực hiện quá trình hàn Cứ như vậy các robot hàn sẽ

tự động hàn các thân xe một cách liên tục Như vậy, ta phải lựa chọn cấu trúc của robot hàn mà vừa đảm bảo kích thước, không gian làm việc lớn, vừa phải

có tính linh hoạt, độ chính xác cao và khả năng tải lớn

1.4.2 Lựa chọn cấu trúc robot hàn điểm

Robot hàn có cấu trúc dạng hở, có từ 3 đến 6 khâu Số bậc tự do càng cao thì khả năng linh hoạt của robot càng lớn nhưng kết cấu và điểu khiển càng phức tạp hơn Để đảm bảo robot có thể thực hiện hàn được các mối hàn phức tạp

trong dây chuyền hàn thân xe ô tô thì robot hàn thiết kế cần phải có kích thước, số bậc tự do và khả năng tải trọng,… đủ lớn Qua tham khảo tài liệu [16], [17], [18] và một số hình ảnh về dây chuyền hàn thân xe ô tô (hình 1.8),

đề tài đã lựa chọn cấu trúc robot hàn có 6 khâu với số bậc tự do tương ứng: khâu chỉ số “0” là giá mang robot, khâu 1 có thể quay quanh trục thẳng đứng, khâu 2 có thể quay tương đối so với khâu 1, khâu 3 có thể quay tương đối so với khâu 2, khâu 4 có thể quay tương đối so với khâu 3, khâu 5 có thể quay tương đối so với khâu 4 và khâu 6 được gắn với mỏ hàn có thể quay tương đối

so với khâu 5 Mô hình cấu trúc của robot như hình 1.12

Hình 1.12: Cấu trúc của robot hàn Thông số cơ bản của robot hàn

Để robot thực hiện thao tác công nghệ hàn thân xe ô tô con ta chọn các thông

số hình học cơ bản của robot hàn như sau [17]:

- Tầm với xa nhất : 2500 mm

- Tầm với cao nhất : 2300 mm

- Kiểu lắp đặt : Nền nhà xưởng

Tải trọng tối đa cho phép 160 kg

Hệ thống truyền động Động cơ Servo xoay chiều, bộ truyền bánh

răng sóng

J1 360o(±180o) J2 140o(-180o~+60o) Cánh tay

J3 390o(-132o~+258o) J4 720o(±360o)

J3 1.66 rad/s(95o/s) J4 2.62 rad/s(226o/s) J5 2.62 rad/s(226o/s)

Tốc độ tối đa

Cổ tay

J6 3.94 rad/s(305o/s)

1.4.3 Giới thiệu phần mềm thiết kế CATIA

Ngày nay có rất nhiều phần mềm CAD/CAE/CAM khác nhau như CATIA, Solidworks, Unigraph, ProEngineer, Autodesk Inventor, Mechanical Desktop, Cadmeister, Camtool, Mastercam, v.v Việc ứng dụng các phần mềm này trong lĩnh vực cơ khí đã mang lại hiểu quả hết sức to lớn

Đề tài đã sử dụng một số phần mềm: CATIA, Solidwork, Autodesk Inventor, MSC.Dynamic Designer Motion và Mechanical Desktop để thiết kế và phân

tích kết cấu, đây là những phần mềm rất mạnh trong thiết kế, phân tích, mô phỏng các kết cấu cơ khí, đặc biệt là phần mềm CATIA

CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) là một

bộ phần mềm thương mại CAD/CAM/CAE đa lĩnh vực được phát triển bởi công ty Dassault Systemes của Pháp và được cung cấp trên thị trường toàn cầu bởi hãng IBM CATIA được viết trong ngôn ngữ lập trình C++ CATIA

là một trong những phần mềm CAD/CAM tích hợp mạnh nhất hiện nay bao gồm các gói thiết kế chi tiết và các cơ cấu tổ hợp các sản phẩm dập tấm, bề mặt và khung dây, thiết kế khuôn, thiết kế tàu thuỷ, ôtô, máy bay,… gói phân tích các kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn, gói gia công CNC, gói thiết kế nhà xưởng, gói thiết kế hệ thống điện, điện tử, thuỷ lực và gói mô phỏng động học, động lực học [13]:

- Mechanical Design: Modul cho phép xây dựng các chi tiết, các sản phẩm lắp ghép trong cơ khí

- Shape Design and Styling: Modul cho phép thiết kế các bề mặt có biên dạng, kiểu dáng phức tạp trong các lĩnh vực thiết kế vỏ ôtô, tàu biển, máy bay.v.v…

- Analysis & Simulation: Modul cho phép tính toán kiểm tra và mô phỏng các chi tiết chịu tải trọng trong môi trường kết cấu liên tục hoặc trong môi trường nhiệt độ Từ đó cho phép tối ưu kết cấu

- Manufacturing & Machining: Modul cho phép mô phỏng quá trình gia công chế tạo chi tiết thông qua việc lựa chọn dao, chế độ cắt, gá đặt từ đó cho phép người thiết kế lựa chọn quá trình chế tạo hợp lý nâng cao chất lượng gia công và tiết kiệm vật liệu

- Equipments and Systems: Cho phép xây dung các trang thiết bị, các hệ thống đường ống dẫn khí, dầu của một nhà máy theo tiêu chuẩn

- Plant Engineering: Cho phép thiết kế mặt bằng nhà xưởng, nhà máy, dây chuyền sản xuất

Hiện nay hãng Dassault Systemes đã thành công trong việc xây dựng module thiết kế theo nhóm (Smarteam) hỗ trợ cho các trung tâm thiết kế có thể linh hoạt kết hợp hỗ trợ lẫn nhau trong nội bộ cùng một công ty hay tập đoàn

Hình 1.13: Các modul của phần mềm CATIA

Giao diện làm việc của CATIA rất thuận tiện, dễ sử dụng do tính trực quan của các nút lệnh cũng như cách thao tác lệnh Hình ảnh dưới đây là giao diện người dùng của CATIA:

CATIA User Interface

Double arrows mean there are more toolbars Drag the >> sign to move unseen toolbars

Icon of active workbench Window of

Hình 1.14: Giao diện người dùng của CATIA Giới thiệu các nhánh chính trong modul Mechanical Design

Modul Mechanical Design bao gồm các chức năng chuyên về thiết kế cơ khí như: Part Design, Assembly Design, Sketcher, Weld Design, Mold Tooling Design, Structure Design, Core & Cavity Design, Sheet Metal Design,…

Hình 1.15: Modul Mechanical Design

a Sketcher

Trước khi vẽ một chi tiết gì thì ta phải tạo Sketcher (biên dạng 2D) Tạo Sketcher là bước cơ bản đầu tiên để tạo mô hình Mô hình tạo thành trong CATIA được liên kết với biên dạng của chúng Khi hiệu chỉnh biên dạng, mô hình tự động cập nhật những thay đổi này Môi trường vẽ phác chứa đựng các mặt phẳng vẽ phác và các công cụ vẽ phác (Sketch Tools)

Mặt phẳng vẽ phác chứa các biên dạng của vật thể Nó có thể là các Plane hoặc là các mặt phẳng của các vật thể có sẵn

Trước khi tạo Sketch ta phải chọn mặt hỗ trợ (Support surface) để vẽ

Hình 1.16: Giao diện nhánh Sketcher

b Part Design

Nhánh Part Design cung cấp các chức năng thiết kế 3D các chi tiết cơ khí

Sau khi ta vẽ phác thảo Sketch, ta chuyển sang nhánh Part Design để tiến hành thiết kế các chi tiết theo Sketch đó

Khi thiết kế, ta thường đăng nhập vào nhánh Part Design rồi mới kích vào biểu tượng Sketcher rồi tiến hạnh vẽ phác thảo trong môi trường Sketch Cách đăng nhập vào nhánh Part Design như hình vẽ dưới đây:

Accessing the Part Design Workbench

Anywhere from 1- Start menu

2- File / New menu

1 2

Hình 1.17: Cách đăng nhập vào nhánh Part Design

Part Design Interface

Constraints

Dress-up

Hình 1.18: Giao diện nhánh Part Design

c Assembly Design

Nếu trong Sketcher và Part Design chúng ta tạo các chi tiết, bây giờ chúng ta hoàn thiện thiết kế của mình bằng cách lắp ghép các chi tiết lại với nhau trong nhánh Assembly Design

Có có thể vào nhánh Assembly Design bằng các cách sau:

1- Từ Start Menu

2- Từ File Menu

Giao diện nhánh Assembly Design như sau:

Hình 1.19: Giao diện nhánh Assembly Design

d Generative Drafting

Nhánh Generative Drafting cung cấp một hệ thống các công cụ để tạo các đối tượng 2D từ mô hình 3D Ta có thể chiếu các đối tượng 3D xuống mặt phẳng

theo nhiều góc độ khác nhau, cắt các đối tượng 3D theo nhiều mặt cắt phức tạp Các đối tượng chiếu và các mặt cắt 2D có mối liên hệ thông minh với vật thể 3D: khi thay đổi kích thước và hình dáng của mô hình 3D thì các đối tượng 2D tự động thay đổi theo tương ứng Ngoài ra với Generative Drafting

ta cũng có thể tạo các đối tượng 2D theo cách vẽ thông thường

Quy trình tổng quát và mối liên kết của các nhánh Sketcher, Part Design, Assembly Design và Generative Drafting trong CATIA khi thiết kế sản phẩm như hình vẽ dưới đây:

Hình 1.20: Mối liên kết giữa các nhánh khi thiết kế sản phẩm trong CATIA

Giao diện nhánh Generative Drafting như hình vẽ sau:

Hình 1.21: Giao diện các thanh Toolbars trong nhánh Generative Drafting 1.4.4 Thiết kế sơ bộ robot hàn điểm và dây chuyền hàn bằng phần mềm

CATIA

Với cấu trúc động học như ở trên ta tiến hành thiết kế sơ bộ các khâu của robot và bố trí robot trong dây chuyền hàn như sau:

a Khâu “0” (giá)

Hình 1.22: Mô hình khâu “0”

b Khâu 1

Hình 1.23: Mô hình khâu 1

c Khâu 2

Hình 1.24: Mô hình khâu 2

d Khâu 3

Hình 1.25: Mô hình khâu 3