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

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Tên : Tống Giang Nam Nơi công tác: Tên đề tài: Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot hàn ống dẫn dầu – khí Chun nghành: Cơng nghệ chế tạo máy Mã số: 10BCTM – QP21 Tôi xin cam đoan luận văn riêng Được thực hướng dẫn bảo tận tình PGS.TS Phan Bùi Khơi Các kết trình bày luận văn tơi phát triển, chưa công bố tài liệu Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Ngƣời viết Tống Giang Nam -1- CẤU TRÚC LUẬN VĂN CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 1.1 Giới thiệu Robot 1.2 Giới thiệu sơ lƣợc robot hàn 1.3 Cấu trúc chung robot hàn 1.4 Cấu trúc Robot hàn ống dẫn dầu khí 1.5 Nội dung nghiên cứu Luận văn CHƢƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC , ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn Động học, Động lực học 2.2 Khảo sát Động học Robot hàn ống dẫn dầu khí 2.3 Khảo sát động lực học robot hàn ống dẫn dầu khí CHƢƠNG TÍNH TỐN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 3.1 Phân tích lựa chọn kết cấu 3.2 Thiết kế hệ thống dẫn động Robot khâu đế 3.3 Thiết kế truyền dẫn động cho khâu -2- MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN CẤU TRÚC LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 12 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 1.1 Giới thiệu Robot 12 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển Robot 12 1.1.2 Một số định nghĩa Robot công nghiệp 14 a Định nghĩa Robot công nghiệp 14 b Bậc tự Robot 15 c Trường công tác robot: 17 1.1.3 Không gian hoạt động Robot 17 1.1.4 Các khớp đặc trưng sử dụng Robot 20 1.2 Giới thiệu sơ lƣợc robot hàn 23 1.3 Cấu trúc chung robot hàn 30 a Robot hàn 31 b Bộ điều khiển 31 c Nguồn dẫn động 32 d Súng hàn 33 e Nguồn điện 33 f Bộ làm súng hàn 33 g Bộ cấp dây 34 h Khung hàn, tay hàn 34 i Bộ định tâm, cảm biến 35 1.4 Cấu trúc Robot hàn ống dẫn dầu khí -3- 36 1.5 Cơ sở thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot MWR 39 1.5.1 Tính tốn động học 40 1.5.2 Tính tốn động lực học 40 1.5.3 Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot MWR 41 CHƢƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC , ĐỘNG LỰC HỌC 42 ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ (MWR) 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn động học, động lực học 42 2.1.1 Cơ sở lý thuyết khảo sát động học robot 42 2.1.2 Phương pháp Denavit-Hartenberg 45 2.1.3 Ma trận biến đổi tọa độ Denavit-Hartenberg 48 2.1.4 Ma trận trạng thái khâu thao tác theo dây chuyền 49 động học 2.1.5 Ma trận trạng thái khâu thao tác theo yêu cầu công 50 2.1.6 Phương trình động học Robot 51 nghệ 2.2 Khảo sát Động học Robot MWR 52 2.2.1 Xây dựng hệ tọa độ 56 2.2.2 Tính ma trận truyền Denarvit-Hartenberg 60 a Tính ma trận trạng thái mỏ hàn theo cấu trúc động học 61 b Tính ma trận trạng thái mỏ hàn điểm đường 65 cong hàn 2.2.3 Thiết lập phương trình động học Robot MWR 2.3 Khảo sát động lực học robot hàn ống dẫn dầu khí 67 70 2.3.1 Phương trình động lực học 70 2.3.2 Phương pháp tính tốn đại lượng động lực học 71 2.3.3 Các toán động lực học Robot MWR 75 Robot -4- CHƢƠNG 76 TÍNH TỐN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 3.1 Phân tích lựa chọn kết cấu 76 3.1.1 Khâu đế Robot 76 3.1.2 Hệ thống dẫn động Robot 79 3.2 Tính tốn lựa chọn truyền, động dẫn động cho Robot 83 3.2.1 Tính tốn thơng số 83 3.2.2 Tính tốn chọn động 87 3.3 Phân tích truyền dẫn động khâu lại Robot 91 MWR KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 -5- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình ảnh Trang Hình 1.1 Trường cơng tác Robot 15 Hình 1.2 Tay máy tọa độ góc 16 Hình 1.3 Tay máy tọa độ trụ 16 Hình 1.4 Tay máy tọa độ cầu 16 Hình 1.5 Tay máy khớp lề 17 Hình 1.6 Tay máy tọa độ Đềcác 17 Hình 1.7 Khớp quay 18 Hình 1.8 Khớp lăng trụ 18 Hình 1.9 Khớp trụ 19 Hình 1.10 Khớp ren 19 Hình 1.11 Khớp cầu 19 Hình 1.12 Khớp phẳng 20 Hình 1.13 Khớp bánh phẳng 20 Hình 1.14 Phân loại Robot hàn cắt thơng dụng 21 Hình 1.15 Robot hàn điểm nhà máy sản xuất xe 22 Hình 1.16 Hệ thống robot hàn đường hãng FANUC 23 Hình 1.17 Mẫu cấu tạo Teach Pendant 24 Hình 1.18 Các dạng quỹ đạo di chuyển que/ dây hàn 25 Hình 1.19 Robot Hãng ATC Daihen chế tạo 25 Hình 1.20 Robot hàn tiêu biểu Hình 1.21 Robot hàn mini 26 ( Trường Đại học giao thông vận tải TP.HCM nghiên cứu chế tạo) Hình 1.22 Robot hàn đường Mini (Do trường Đại học Bách khoa TP.HCM nghiên -6- 27 cứu chế tạo) Hình 1.23 Robot hàn BK23 27 ( Sản phẩm trường Đại học bách khoa Hà Nội chế tạo) Mơ hình Robot hàn ống dẫn dầu khí - MWR Hình 1.24 Hình 1.25 Hình 2.1a Hệ tọa độ chuẩn 43 Hình 2.1b Quy tắc bàn tay phải 43 Hình 2.2 Xác định thơng số 44 Hình 2.3a Cấu trúc khí robot MWR 50 Hình 2.3b Cấu trúc động học robot MWR 51 Hình 2.4 Khâu 51 Hình 2.5 Khâu 52 Hình 2.6 Khâu 52 Hình 2.4 Khâu 53 Hình 2.8 Khâu 53 Hình 2.9 Xây dựng tọa độ Robot MWR 54 Hình 2.10 Tọa độ Khâu 55 Hình 2.11 Tọa độ Khâu 55 Hình 2.12 Tọa độ khâu 56 Hình 2.13 Tọa độ khâu 56 Hình 2.14 Hình 2.15 Sơ đồ học - xác định tọa độ Robot MWR 58 Hình 2.16 Biểu diễn mối hàn 63 Hình 2.17 Góc hàn 65 Hình 3.1 Khâu đế gá đặt Robot 76 Hình 3.2 Hình chiếu Bàn gá 77 Hình 3.3 Kiểu hoạt động Bàn gá đặt 77 Hình 3.4 Bánh xe ăn khớp mặt ray dẫn 78 Những phận Robot MWR Tọa độ khâu -7- 35 36 57 Hình 3.5 Bánh xe ăn khớp mặt ngồi ray dẫn 78 Hình 3.6 Phân tích chuyển động ăn khớp bánh 79 Hình 3.7 Sơ đồ lực dẫn động cho khâu 79 Hình 3.8 Phân tích cấu truyền bánh 80 Hình 3.9 Ray dẫn 81 Hình 3.10 Vít điều chỉnh 82 Hình 3.10c Sơ đồ truyền động Trục vít - bánh vít 82 Hình 3.11 Mơ tả tọa độ điểm hàn 84 Hình 3.12 Hình 3.13 Quy luật chuyển động khâu theo hàm 85 Hình 3.14 Tốc độ di chuyển khâu 86 Hình 3.15 Sơ đồ lực dẫn động tác dụng khớp 87 Hình 3.16 Kích thước ray dẫn 89 Hình 3.17 Kích thước bánh trụ nhỏ 90 Hình 3.18 Phương pháp sử dụng truyền dẫn động khâu 91 Hình 3.19 Cơ cấu Vitme-đai ốc 92 Hình 3.20 Phương pháp lắp ghép truyền dẫn động khâu 92 Hình 3.21 KT Trục vít 2(theo hình 3.15)khâu 93 Hình 3.22 KT Thanh dẫn hướng 4-5(theo hình 3.15)khâu 94 Hình 3.23 KT Tấm định vị động – khâu 94 Hình 3.24 KT Bộ phận dẫn hướng 13 (theo H3.15) 95 Hình 3.25 Hình 3.26 KT Bộ truyền Vitme đai ốc dẫn động khâu 97 Hình 3.27 Phương pháp lắp ghép truyền dẫn động khâu 98 Hình 3.28 KT Gối đỡ 13(theo H3.22) 99 Hình 3.29 KT Bộ phận dẫn hướng (theo H3.22) 100 Hình 3.30 KT Thanh dẫn hướng 6(theo H3.22) 101 Hình 3.31 KT Chi tiết 9(theo H3.22) 102 Hình 3.32 KT Chi tiết 10(theo H3.22) 103 Sơ đồ quy luật chuyển động khâu KT Bộ phận dẫn hướng 14(theo H3.15) -8- 84 96 KT Trục vít 4(theo H3.22) Hình 3.33 Hình 3.34 Bộ truyền Vitme đai ốc dẫn động khâu 105 Hình 3.35 Phương pháp lắp ghép truyền dẫn động khâu 106 Hình 3.36 KT Chi tiết 8-Thanh dẫn hướng (Theo hình 3.29) 106 Hình 3.37 KT Trục vít 5(Theo hình 3.29) 107 Hình 3.38 Hình 3.39 KT Gối đỡ 3(Theo hình 3.29) 108 Hình 3.40 KT Chi tiết thuộc cấu dẫn hướng 108 KT Gối đỡ 2(Theo hình 3.29) 104 107 (Theo hình 3.29) Hình 3.41 KT Chi tiết thuộc cấu dẫn hướng (Theo hình 3.29) -9- 109 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, ngành điều khiển tự động hóa có bước tiến quan trọng Q trình góp phần khơng nhỏ vào việc tăng cường suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng độ đồng chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc người, đặc biệt số công việc có độ an tồn thấp, có tính độc hại cao…Việc sử dụng tay máy robot phục vụ công nghiệp phổ biến từ nhiều năm trước giới chất lượng suất đạt Nhưng bắt đầu, việc sử dụng hạn chế giá thành việc điều khiển Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, hạn chế phần khắc phục, tay máy robot thể vai trò ngày lớn Trong tương lai, tay máy cơng nhân nhà máy, xí nghiệp, tránh cho người khỏi môi trường làm việc độc hại, nguy hiểm Lượng robot công nghiệp bán hàng năm lớn, chủ yếu từ nước: Nhật, Đức, Mỹ… Trong nước ta nay, nhu cầu sử dụng robot bắt đầu gia tăng sở sản xuất đủ khả trang bị cho sở vật chất đại Nhiều nơi sử dụng robot thay cho sức lao động người, phần lớn robot hàn lắp ráp Các viện trường đại học có nhiều nghiên cứu thành cơng đủ khả chế tạo tay máy phục vụ cho công nghiệp Điều cho thấy xuất công nghiệp robot tương lai Công nghệ hàn tự động với robot ứng dụng nhiều nghành công nghiệp nước công nghiệp phát triển Hoa Kỳ, Nhật Bản, CHLB Đức, Hàn Quốc,….và gần nước khu vực Đông Nam Á Để giải phóng sức lao động cho người, tăng độ xác cơng nghiệp hóa, đại hóa ngành dầu khí việc nghiên cứu, ứng dụng đưa robot hàn ống dẫn dầu khí vào sử dụng đáp ứng cho ngành vấn đề cấp thiết Bản thân tìm hiểu lĩnh vực Robot hàn thầy Phan Bùi Khơi giao hướng dẫn tìm hiểu Robot hàn ống với đề tài “ Thiết kế hệ dẫn động cho robot hàn ống dẫn dầu khí” - 10 - b Bộ truyền dẫn khâu 3: Hình 3.26 Bộ truyền Vitme đai ốc dẫn động khâu Nguyên lý hoạt động: Về cấu truyền Vít me đai ốc Khi động hoạt động dẫn động làm trục vít quay, đai ốc lắp đặt ăn khớp với trục vít đai ốc gắn lên chi tiết coi khối cứng, chi tiết gắn lên chi tiết tương tự Khối gia cơng lỗ để thực ăn khớp dạng trượt so với dẫn hướng Do trục vít quay dẫn động làm cho đai ốc quay đồng nghĩa với việc làm cho chi tiết thực chuyển động dọc trục Ở có khác biệt so với truyền dẫn khâu dẫn hướng không di chuyển mà lắp cố định vị trí Phương pháp lắp ghép sau: (Áp dụng cho hình dưới…thay tên sau) Sử dụng ốc vít số 12 để định vị vị trí động lên bàn Trục vít để truyền dẫn lắp với động Trục vít thực chuyển động tỳ lên ổ đỡ 10 13 Các ổ đỡ 13 10 định vị lên bàn nhờ ốc vít Các dẫn hướng định vị, đầu bắt vít với chi tiết 13 đầu bắt vít với chi tiết 10 Đai ốc lắp lên chi tiết 8, chi tiết lắp lên chi tiết 8, đồng thời đai ốc ăn khớp với trục vít 4, chi tiết dạng bạc lót - 97 - lắp lên chi tiết dẫn tiếp xúc trượt Chi tiết dùng để gá đặt chi tiết khâu lên Hình 3.27 Phương pháp lắp ghép truyền dẫn động khâu Cũng phân tích trên, ta khơng xét đến chi tiết chuẩn hóa ốc vít, động cơ…mà đề cập đến chi tiết 6, 8, 9, 10, 13 Chi tiết gối đỡ 13 đồng thời phận chi tiết dẫn hướng : - 98 - Hình 3.28 Gối đỡ 13 - 99 - Hình 3.29 Bộ phận dẫn hướng - 100 -     Hình 3.30 Thanh dẫn hướng - 101 -                          Hình 3.31 Chi tiết     - 102 -     Hình 3.32 Chi tiết 10 - 103 -    Hình 3.33 Trục vít - 104 - c Bộ truyền dẫn khâu 4: Hình 3.34 Bộ truyền Vitme đai ốc dẫn động khâu cuối Nguyên lý hoạt động: Bộ truyền có nguyên lý hoạt động giống hệt truyền dẫn động khâu Động 4, gối đỡ định vị bàn gá nhờ ốc vít Đai ốc lắp ghép ăn khớp với trục vít đồng thời lắp đặt chi tiết số 7, chi tiết số chi tiết số gia công để bắt vít dẫn hướng có vị trí hình vẽ, chi tiết số 10 cấu kẹp que hàn liên kết với chi tiết nhờ ren vít kết hợp vít hãm, que hàn kẹp chặt chi tiết 10, ta điều chỉnh góc que hàn theo yêu cầu công nghệ Khi động hoạt động dẫn động cho trục vít thực chuyển động quay, dẫn động tới đai ốc , hệ thống 6-7-8-9-10-11 coi khối cứng, đai ốc chuyển động dẫn động cho toàn hệ thống chuyển động tịnh tiến theo chiều dẫn dẫn hướng 8, giúp cho que hàn chuyển động vào tùy theo chiều quay động Phương pháp lắp ghép: - 105 - Hình 3.35 Phương pháp lắp ghép truyền dẫn động khâu cuối Về phương pháp lắp ghép giống khâu Các chi tiết chuẩn hóa tác giả không đề cập mà sâu phân tích hình dạng kích thước gối đỡ 2, 3(hình 3.26) phận cấu thành cấu dẫn hướng 6,7,8,9 (hình 3.26) Hình 3.36 Chi tiết 8-Thanh dẫn hướng - 106 - Hình 3.37 Trục vít Hình 3.38 Gối đỡ - 107 - Hình 3.39 Gối đỡ Hình 3.40 Chi tiết thuộc cấu dẫn hướng - 108 - Hình 3.41 Chi tiết thuộc cấu dẫn hướng - 109 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Mơ hình hóa Robot hệ điện tử – PGS.TS Phan Bùi Khôi, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2009 [2] Nguyễn Thiện Phúc: Robot công nghiệp, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 [3] Phan Bùi Khôi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh: Tính tốn động học Robot hàn có di động Tuyển tập cơng trình hội nghị học toàn quốc lần thứ VIII [4] Đào Văn Hiệp: Kỹ thuật Robot, NXB Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 2004 [5] Phạm Đăng Phước: Robot công nghiệp, NXB Xây Dựng, Hà Nội, 2007 [6] Phạm Việt Hùng, Đào Hồng Bách: Hướng dẫn sử dụng Solidwork thiết kế chiều, NXB Xây Dựng, Hà Nội, 2009 [7] PGS.TS Trịnh Chất – TS Lê Văn Uyển, NXB Giáo Dục: Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí (Tập – 2) [8] Trịnh chất, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1998: Cơ sở thiết kế máy chi tiết máy - 110 - KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Sau khoảng thời gian học tập nghiên cứu nghiêm túc hướng dẫn tận tình thầy cô giáo đặc biệt thầy giáo PGS.TS Phan Bùi Khơi tác giả hồn thành nội dung với kết đạt sau: Đã đưa giải pháp cơng nghệ sử dụng Robot hàn di động để hàn đấu nối Ống dẫn dầu khí, từ xây dựng mơ hình Robot, cấu trúc động học robot hàn di động nghành cơng nghiệp dầu khí Tìm hiểu sở lý thuyết động học để từ thiết lập hệ phương trình động học cho Robot hàn xây dựng thuật tốn để tính tốn động học Robot hàn di động công nghệ hàn đấu nối ống dẫn dầu khí Tìm hiểu tính sử dụng phần mềm Solidwork xây dựng mơ hình Robot, sử dụng phần mềm ngôn ngữ Maple để lập trình giải tốn động học Robot hàn Sử dụng phần mềm đồ họa Visual C++ để lập trình mơ chuyển động Robot hàn Lập trình mơ chuyển động Robot hàn di động công nghệ hàn ống dẫn dầu khí Đề xuất hướng phát triển cuả đề tài: Cần tiếp tục nghiên cứu mơ hình Robot hàn di động với nhiều bậc tự để tăng tính linh hoạt cho Robot hàn để hàn nối với quỹ đạo hàn phức tạp, đa dạng - 111 - ... ống dẫn dầu khí CHƢƠNG TÍNH TỐN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 3.1 Phân tích lựa chọn kết cấu 3.2 Thiết kế hệ thống dẫn động Robot khâu đế 3.3 Thiết kế truyền dẫn động cho khâu... toàn cấu Kết khảo sát động học động lực học sở để tính tốn thiết kế truyền thích hợp cho Robot hàn ống dẫn dầu khí 1.5.3 Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot MWR Từ toán khảo sát động học, động lực... thiết kế hệ thống dẫn động cho Robot MWR 39 1.5.1 Tính tốn động học 40 1.5.2 Tính tốn động lực học 40 1.5.3 Thiết kế hệ thống dẫn động cho robot MWR 41 CHƢƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC , ĐỘNG LỰC HỌC 42 ROBOT