Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot hàn ống dẫn dầu khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN NGỌC ANH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHẾ TẠO MÁY NGƢỜI HƢỚNG DẪN PGS TS PHAN BÙI KHÔI HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Nguyễn Ngọc Anh Nơi cơng tác: Xí nghiệp khai thác dầu khí Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot hàn ống dẫn dầu khí” Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: CB110015 Tôi xin cam đoan, luận văn riêng Đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn tận tình PGS.TS Phan Bùi Khơi Các số kết trình bày luận văn phát triển, chƣa đƣợc cơng bố tài liệu Hà Nội, tháng năm 2014 Ngƣời viết Nguyễn Ngọc Anh DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ISO International Organization for Standardization CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing NC Numerical Control ζ1; ζ3 Chuyển động quay d2; d4 Chuyển động tịnh tiến f Số bậc tự robot n Số khâu robot bao gồm giá cố định  Số bậc tự vật rắn không chịu liên kết không gian làm việc robot fi Số bậc tự khớp thứ i g Tổng số khớp cấu fc Số liên kết thừa fr Số ậc tự thừa Vh Tốc độ hàn Kp Hệ số đắp Ih Cƣờng độ dòng hàn  Hệ số tổn thất que hàn Fht Lƣợng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đƣờng hàn Ih Cƣờng độ dòng điện hàn  Tỉ khối kim loại hàn WMR Welding Mobile Robot  Hệ số tỷ lệ i 1 Ai Ma trận mơ tả vị trí hƣớng khâu i khâu i-1 Ai1 Ma trận nghịch đảo ma trận Ci Ma trận cosin hƣớng i 1 i 1 i 1 Ai i 1 CiT Ma trận chuyển vị Rot(x,φ) Ma trận cosin hƣớng có đƣợc quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ x góc φ Rot(y,ψ) Ma trận cosin hƣớng có đƣợc quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ y góc ψ Rot(z,ζ) Ma trận cosin hƣớng có đƣợc quay hệ tọa độ quanh trục tọa độ z góc ζ Trans(a, Tịnh tiến dọc trục tọa độ x đoạn a, theo trục tọa độ y đoạn b,c) b, theo trục tọa độ z đoạn c An Ma trận xác định vị trí khâu thao tác n Ak Ma trận xác định vị trí hệ tọa độ gắn với khâu thao tác điểm tác động cuối hệ tọa độ khâu cuối n D-H Denavit-Hartenberg MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BÀNG, HÌNH VẼ CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT 1.1.1 Bậc tự robot 1.1.2 Trƣờng công tác – vùng làm việc robot 1.2 CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG 13 1.2.1 Hàn hồ quang 14 1.2.2 Tổ chức kim loại hàn 15 1.2.3.Các phƣơng pháp hàn, cắt hồ quang ản: 16 1.2.4 Mạch hàn ản 17 1.2.5 Các tham số trình hàn hồ quang khí trơ 18 1.2.6 Cƣờng độ dòng điện 18 1.2.7 Điện áp hồ quang 19 1.2.8 Tốc độ di chuyển (vận tốc hàn) 19 1.2.9 Độ dài hồ quang 19 1.3.CẤU TRÚC CHUNG CỦA ROBOT HÀN 19 1.3.1 Bộ điều khiển 20 1.3.2 Nguồn dẫn động 20 1.3.3 Súng hàn 21 1.3.4 Nguồn điện 22 1.3.5 Bộ làm súng hàn 22 1.3.6 Bộ cấp dây 22 1.3.7 Khung hàn, tay hàn 23 1.3.8 Bộ định tâm, cảm biến 23 1.4 MỘT SỐ LOẠI ROBOT HÀN 23 1.4.1 Giới thiệu số robot hàn 23 1.4.1 Kết cấu robot hàn ống dầu khí 25 1.4.2 Bậc tự chuyển động robot hàn ống dầu khí 28 1.4.3 Thơng số đƣờng hàn dặc tính kỹ thuật Robot hàn 29 1.5 ỨNG DỤNG ROBOT HÀN TRONG NGÀNH DẦU KHÍ 30 1.5.1 Công tác lắp ráp đƣờng ống dẫn dầu khí Việt Nam 30 1.5.2 Cơng nghệ khai thác dầu khí Việt Nam 31 CHƢƠNG 2: TÍNH ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 32 2.1 CẤU TRÚC, BẬC TỰ DO CỦA ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 32 2.1.1 Cấu trúc động học 32 2.1.2 Bậc tự chuyển động robot hàn ống dầu khí 33 2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC 34 2.2.1 Các tọa độ nhất, ma trận biến đổi 34 2.2.3 Cách xây dựng hệ trục tọa độ theo Denavit-Hartenberg 37 2.2.4 Các tham số động học Denavit-Hartenberg 39 2.2.5 Các ma trận Denavit-Hartenberg 39 2.3 THIẾT LẬP HỆ PT ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT HÀN ỐNG DẦU KHÍ 40 2.3.1 Các hệ tọa độ 40 2.3.2 Xác định ma trận truyền 42 2.3.3 Thiết lập phƣơng trình động học robot 44 2.4.1 Bài tốn thuận vị trí 45 2.4.2 Bài toán thuận vận tốc 46 2.4.3 Bài toán thuận gia tốc 48 2.4.4 Thuật toán giải toán thuận 48 2.5 Giải ài toán động học thuận vào mơ hình robot hàn ống dẫn dầu khí 49 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 59 3.1 QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO KHÂU CUỐI CỦA ROBOT 59 3.1.1- Hệ toạ độ 59 3.1.2 Quĩ đạo chuyển động robot 59 3.2 KHẢO SÁT BÀI TOÁN NGƢỢC ĐỘNG HỌC ROBOT 60 3.2.1 Bài tốn ngƣợc vị trí 60 3.2.2 Bài toán ngƣợc vận tốc 63 3.2.3 Bài toán ngƣợc gia tốc 65 3.2.4 Phƣơng pháp hiệu chỉnh gia lƣợng vector sai số 65 3.3 BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC NGƢỢC: 66 3.4 TÍNH TỐN BIÊN DẠNG ĐƢỜNG HÀN 68 3.4.1 Mô hình tốn học đối tƣợng gia cơng 68 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH MỤC CÁC BÀNG, HÌNH VẼ Bảng 2.1 Các tham số D-H 42 Hình 1.1 Trƣờng cơng tác Robot Hình 1.2 Tay máy tọa độ góc Hình 1.3 Tay máy tọa độ Đề Hình 1.4 Tay máy tọa độ trụ .9 Hình 1.5 Tay máy tọa độ cầu Hình 1.6 Tay máy khớp lề 10 Hình 1.7 Khớp quay 10 Hình 1.8 Khớp lăng trụ .11 Hình 1.9 Khớp trụ .11 Hình 1.10 Khớp ren (khớp vít me) 12 Hình 1.11 Khớp cầu 12 Hình 1.12 Khớp phẳng .13 Hình 1.13 Khớp ánh phẳng 13 Hình 1.14 Hàn hồ quang điện 14 Hình 1.15 Robot hàn 24 Hình 1.16 Robot hàn IRB 1410 ArcPack 24 Hình 1.17 Robot hàn xƣởng thực hành Đại học bách khoa Hà Nội 25 Hình 1.18 Cấu trúc khí robot hàn ống dẫn dầu khí .25 Hình 1.19: Mơ hình khâu (ray dẫn hƣớng) 26 Hình 1.20 Mơ hình khâu 26 Hình 1.21: Mơ hình khâu .27 Hình 1.22: Mơ hình khâu 27 Hình 1.23: Khâu 27 Hình 1.24: Khâu 28 Hình 2.1: Mơ hình robot hàn ống dẫn dầu khí 32 Hình 2.2: Sơ đồ động học robot hàn ống dẫn dầu khí 33 Hình 2.3 Sơ đồ chuyển trục tọa độ 35 Hình 2.4: Các góc quay Roll-Pitch Yaw Robot 36 Hình 2.5: Các hệ tọa độ gắn cho robot 40 Hình 2.8: Bài tốn động học thuận 49 Hình 2.9: Quỹ đạo chuyển động đầu mũi hàn .51 Hình 2.10: Tọa độ khâu thao tác theo trục X 51 Hình 2.11: Tọa độ khâu thao tác theo trục Y 52 Hình 2.12: Tọa độ khâu thao tác theo trục Z 52 Hình 2.13: Đồ thị vận tốc theo phƣơng X 54 Hình 2.14: Đồ thị vận tốc theo phƣơng Y 54 Hình 2.15: Đồ thị vận tốc theo phƣơng Z 55 Hình 2.16: Đồ thị vận tốc góc theo phƣơng X 55 Hình 2.17: Đồ thị vận tốc góc theo phƣơng Y 56 Hình 2.18: Đồ thị vận tốc góc theo phƣơng Z 56 Hình 2.19: Đồ thị gia tốc đầu hàn theo phƣơng x .57 Hình 2.20: Đồ thị gia tốc đầu hàn theo phƣơng Y 57 Hình 2.21: Đồ thị gia tốc đầu hàn theo phƣơng Z 58 Hình 3.1: Mơ tả đƣờng hàn robot thực 68 Hình 3.2 Quỹ đạo khâu thao tác .69 Hình 3.4 Quỹ đạo chuyển động khâu .71 Hình 3.5 Quỹ đạo chuyển động khâu .72 Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động khâu .72 Hình 3.7 Quỹ đạo chuyển động khâu .73 Hình 3.9 Quỹ đạo chuyển động khâu .73 Hình 3.10 Đồ thị vận tốc khâu .74 Hình 3.11 Đồ thị vận tốc khâu khâu 74 Hình 3.12 Đồ thị vận tốc khâu .75 Hình 3.13 Đồ thị vận tốc khâu khâu 75 Hình 3.14 Đồ thị gia tốc khâu 76 Hình 3.15 Đồ thị gia tốc khâu 76 Hình 3.16 Đồ thị gia tốc khâu 77 Hình 3.17 Đồ thị gia tốc khâu 77 Hình 3.18 Đồ thị moment lực đặt lên khâu .78 Hình 3.19 Đồ thị moment lực đặt lên khâu .78 Hình 3.20 Đồ thị moment lực đặt lên khâu .79 Hình 3.21 Đồ thị moment lực đặt lên khâu .79 Hình 3.22 Đồ thị moment lực đặt lên khâu .80 (Ai ma trận cosin hƣớng khâu thứ I hệ toạn độ gốc) 3.4 TÍNH TỐN BIÊN DẠNG ĐƢỜNG HÀN 3.4.1 Mơ hình tốn học đối tƣợng gia công Đƣờng hàn nối liền hai mép ống trụ nói thực chất tập hợp điểm đƣờng trịn tâm ống, án kính R+ δR Hình 3.1: Mô tả đƣờng hàn robot thực Cần tiến hành mơ tả tốn học với đối tƣợng, giao tuyến hai cặp mặt trụ Yêu cầu đặt mơ hình hóa biên dạng đƣờng hàn theo phƣơng x,y,z là: { ( ) Trong r án kính ống dầu ( tác giả chon r = 0.3m) Tác giả chọn quỹ đạo hình lị xo ( ) ( ) { 68 Hình 3.2 Quỹ đạo khâu thao tác Ở ta xây dựng đƣợc quỹ đạo đƣờng hàn BC Tuy nhiên, để đảm bảo tính cơng nghệ trình hàn phục vụ cho trình điều khiển robot ta xây dựng quỹ đạo dẫn mũi hàn tới điểm bắt đầu AB CD kết thúc trình hàn Yêu cầu đặt đầu hàn vừa vào điểm bắt đầu biên dạng cần hàn vận tốc phải b ng 0.01(m/s) Ta dùng hàm nội suy bậc a để đƣa quỹ đạo vào bắt đầu kết thúc hàn Hình 3.3 Đồ thị mô tả giai đoạn làm việc mũi hàn Giả sử thời điểm an đầu t0 đầu hàn vị trí q = q0(x0, y0, z0) vận tốc b ng không, thời điểm t1 đầu hàn bắt đầu vào vị trí hàn ta có q=q1(x1, y1, z1) vận tốc thời điểm v = v1(v1x, v1y, v1z) Với nhắc tới xác định quỹ đạo đƣờng hàn 69 + + = 0.012 nhƣ Quỹ đạo vào đầu hàn có dạng: ̇ { => { ̇ ̇ Thay tọa độ vận tốc theo phƣơng vào hệ ta thu đƣợc phƣơng trìn quỹ đạo cần tìm Áp dụng với số liệu cụ thể: *) Quỹ đạo đầu hàn chuyển động từ thời điểm an đầu đến điểm bắt đầu hàn: Tại t0 = 0(s) : x0 =0 , y0 =0.3, z0 =-0.2 v0x = v0y = v0z = (m/s) Tại t1 = 3(s) : x1= 0.15, y1=0.26 , z1 = -0.1 vx1 = 0.0091 (m/s), vy1 = -0.005 (m/s), vz1 = -0.0001 (m/s) Ta thu đƣợc: { *) Quỹ đạo đầu hàn chuyển động kết thúc hàn: Tại tf = 153(s): xf = -0.135 , yf = 0.27 , zf = -0.16 , vxf =0.0094(m/s) , vyf =0.0047(m/s) , vzf = -0.0001(m/s) Tại tst = 156(s): xst = -0.077, yst = 0.29, zst = -0.1, vxst = vyst = vzst =0 (m/s) Ta thu đƣợc: { 3.5 MÔ PHỎNG SỐ CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT HÀN ỐNG DẦU KHÍ Áp dụng vào mơ hình robot với quỹ đạo đƣợc thiết kế với thời gian làm việc t=[0 600], sai số chuẩn e= 0.000001, ƣớc thời gian Δt = h = 0.1 Trong mục 3.4 ta thiết kế đƣợc quỹ đạo đƣờng hàn gồm đoạn AB, BC, CD Tuy nhiên, đoạn đoạn BC biên dạng hàn, thực phức tạp phải tuân theo yêu cầu công nghệ Trong luận văn tác giả giải ài toán động học động lực học ngƣợc robot thực đƣờng hàn, tức đoạn BC Còn đoạn AB CD cách thực tƣơng tự nhƣng đơn giản 70 Dựa vào hệ phƣơng trình đƣợc thiết lập mục (3.2) phƣơng trình quỹ đạo đƣợc xác định mục (3.4) ta giải đƣợc ài toán động học ngƣợc robot Từ kết ài toán động học ngƣợc, ta áp dụng vào phƣơng trình động lực học ngƣợc đƣợc thiết lập (3.3) xác định đƣợc momen đặt vào khớp Bài toán đƣợc giải số thực Maple b ng phƣơng pháp hiệu chỉnh vector gia lƣợng Dưới kết toán động học ngược toán động lực học ngược robot đoạn BC: Quỹ đạo khâu:  Khâu 1: Hình 3.4 Quỹ đạo chuyển động khâu 71  Khâu 2: Hình 3.5 Quỹ đạo chuyển động khâu  Khâu 3: Hình 3.6 Quỹ đạo chuyển động khâu 72  Khâu 4: Hình 3.7 Quỹ đạo chuyển động khâu  Khâu 5: Hình 3.9 Quỹ đạo chuyển động khâu 73 Vận tốc khâu:  Vận tốc khâu 1: Hình 3.10 Đồ thị vận tốc khâu  Vận tốc khâu 2: Hình 3.11 Đồ thị vận tốc khâu khâu 74  Vận tốc khâu 3: Hình 3.12 Đồ thị vận tốc khâu  Vận tốc khâu 5: Hình 3.13 Đồ thị vận tốc khâu khâu 75 Gia tốc khâu:  Gia tốc khâu 1: Hình 3.14 Đồ thị gia tốc khâu  Gia tốc khâu 2: Hình 3.15 Đồ thị gia tốc khâu 76  Gia tốc khâu 3: Hình 3.16 Đồ thị gia tốc khâu  Gia tốc khâu 4: Hình 3.17 Đồ thị gia tốc khâu 77 Momen lực đặt lên khâu:  Khâu 1: Hình 3.18 Đồ thị moment lực đặt lên khâu  Khâu 2: Hình 3.19 Đồ thị moment lực đặt lên khâu 78  Khâu 3: Hình 3.20 Đồ thị moment lực đặt lên khâu  Khâu 4: Hình 3.21 Đồ thị moment lực đặt lên khâu 79  Khâu 5: Hình 3.22 Đồ thị moment lực đặt lên khâu 80 KẾT LUẬN Sau thời gian làm việc nghiêm túc khẩn trƣơng dƣới hƣớng dẫn tận tình thầy giáo Phan Bùi Khơi, tác giả hoàn thành thời gian đạt đƣợc số kết định Đề tài nghiên cứu robot hàn ống dẫn dầu khí, tác giả nêu giải đƣợc số vấn đề ro ot nhƣ: việc thiết lập hệ phƣơng trình động học, giải ài tốn động học thuận, thiết kế quỹ đạo chuyển động robot giải toán ngƣợc b ng phƣơng pháp hiệu chỉnh gia lƣợng, bên cạnh việc giải tốn động học ngƣợc b ng phƣơng pháp số đƣợc giải triệt để b ng cách rời rạc hóa quỹ đạo u cầu, sau giải ài tốn ngƣợc qua điểm phần mềm Maple Hy vọng kết nghiên cứu làm sở nghiên cứu chế tạo ro ot hàn đƣờng ống dẫn dầu, khí Tuy nhiên với khả trình độ cịn hạn chế nhƣ thời gian có hạn nên luận văn tác giả chắn cịn nhiều thiếu sót, tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp, phê bình bổ sung thầy hội đồng khoa học để tác giả hồn thiện bổ sung thêm kiến thức Một lần tác giả xin chân thành cảm ơn thầy Phan Bùi Khơi tận tình giúp đỡ thời gian nghiên cứu hoàn thành đề tài này! 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Bùi Khơi: Bài giảng Mơ hình hóa Robot hệ điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2009 [2] Phan Bùi Khôi: Bài giảng “Robotics” 2009 Đại học Bách Khoa Hà Nội [3] Nguyễn Thiện Phúc: Robot công nghiệp, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 [4] Phan Bùi Khơi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh: Tính tốn động học Robot hàn có di động Tuyển tập cơng trình hội nghị học tồn quốc lần thứ VIII [5] Đào Văn Hiệp: Kỹ thuật Robot, NXB Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2006 [6] Phạm Đăng Phƣớc: Robot công nghiệp, NXB Xây Dựng, Hà Nội, 2007 [7] Phạm Việt Hùng, Đào Hồng Bách: Hướng dẫn sử dụng Solidwork thiết kế chiều, NXB Xây Dựng, Hà Nội, 2009 [8] Maple help 82 ... toán động học thuận vào mơ hình robot hàn ống dẫn dầu khí 49 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 59 3.1 QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO KHÂU CUỐI CỦA ROBOT. .. Tổng quan Robot Chƣơng 2: Tính tốn động học quỹ đạo robot hàn ống dãn dầu khí Chƣơng 3: Thiết kế quỹ đạo chuyển động robot hàn ống dẫn dầu khí Sau thời gian tích cực học tập nghiên cứu nghiêm... 2: TÍNH ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 32 2.1 CẤU TRÚC, BẬC TỰ DO CỦA ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 32 2.1.1 Cấu trúc động học 32 2.1.2 Bậc tự chuyển động robot hàn ống dầu khí