BÀI GIẢNG TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH HÀN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN HÀN - CÔNG NGHỆ KIM LOẠI ************ BÀI GIẢNG TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH HÀN GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành HÀ NỘI 08 - 2011 ME4214 Tự động hóa quá trình hàn Tên học phần: TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH HÀN Mã số: ME4214 Khối lượng: 2(2-1-0,5-4)  Lên lớp: 30 tiết  Thí nghiệm: 10 tiết  Thực tập sau môn học: Học phần thay thế: Đối tượng tham dự: cho sinh viên năm thứ chuyên ngành Công nghệ hàn - học kỳ Điều kiện học phần:  Học phần tiên quyết: học phần thuộc chuyên ngành Công nghệ hàn  Học phần học trước: học phần thuộc khối kiến thức bản, sở chuyên ngành rộng ngành Cơ Khí  Học phần song hành: Mục tiêu học phần: Sau học xong học phần này, sinh viên nắm vững được: mục đích, ý nghĩa, phạm vi CKH, TĐH sản xuất khí q trình hàn; số định nghĩa, khái niệm bản; công việc TĐH trình hàn; trang thiết bị chủ yếu phục vụ cho trình hàn bán TĐ TĐ; nguyên tắc thiết kế đồ gá hàn Nội dung vắn tắt học phần: Học phần trang bị cho sinh viên kiến CKH, TĐH sản xuất khí q trình hàn Nội dung học phần thể chương đề cương này, gồm có: Mở đầu; Chương1- Một số khái niệm, định nghĩa bản; Chương 2- Các công việc TĐH trình hàn; Chương 3- Các trang thiết bị chủ yếu phục vụ cho trình hàn tự động; Chương 4- Thiết kế đồ gá hàn Nhiệm vụ sinh viên:  Dự lớp: theo quy chế nhà trường  Thí nghiệm: thực thí nghiệm phịng thí nghiệm  Dụng cụ học tập: thiết bị thí nghiệm hàn bán tự động Bộ môn  Các nội dung khác: 10 Đánh giá kết quả: KT(0,3); T(0,7)  Dự lớp: đánh giá sinh viên theo qui chế dự lớp Trường  Thí nghiệm: đánh giá qua nộp báo cáo thí nghiệm  Kiểm tra định kỳ: đánh giá kết điểm kiểm tra kỳ  Thi cuối học kỳ: thi tự luận 11 Tài liệu học tập  Sách, giáo trình, giảng chính: 1- Bài giảng Tự động hố q trình hàn, GVC TS Nguyễn Ngọc Thành, Bộ mơn Hàn CNKL, Viện Cơ Khí, ĐHBK Hà Nội, 2009 - 2010  Sách tham khảo: xem đề cương chi tiết 12 Nợi dung chi tiết học phần: TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH HÀN Người soạn: GVC TS Nguyễn Ngọc Thành Më đầu Mục đích, ý nghĩa, phạm vi CKH, TĐH CKH, TĐH sản xuất khí sản xuất hàn Ch-ơng 1- Một số khái niệm, định nghĩa 1.1- Khái niệm khí hoá sản xuất khí hàn 1.1.1- Định nghĩa 1.1.2- Một số dạng CKH 1.1.3- Mức độ CKH 1.2- Khái niệm tự động hoá sản xuất khí hàn 1.2.1- Định nghĩa 1.2.2- Các thiết bị, phần tử hƯ thèng ®iỊu khiĨn tù ®éng 1.2.3- Møc ®é TĐH 1.2.4- Các hình thức tự động hoá a-Tự động hoá cứng b- Tự động hoá mềm 1.3- Dây chuyền SXTĐH hàn Ch-ơng 2- công việc tự động hóa QU TRèNH hàn 2.1- Khái niệm 2.1.1- Khỏi niệm trình hàn 2.1.2- Các dạng trình hàn 2.1.3- Quy trình cơng nghệ hàn 2.2- Tù ®éng hoá việc gá lắp phôi h n 2.2.1- Khỏi nim, đặc điểm ứng dụng 2.2.2- Các trang thiết bị dựng cho tự động hoá gá lắp phôi 2.3- Tự động hoá thao tác hàn 2.3.1- Khỏi nim, c điểm ứng dụng 2.3.2- Các trang thiết bị sử dng thc hin t ng hoỏ cỏc thao tác hàn 2.4- Tự động hoá vận chuyển phôi h n 2.4.1- Khái niệm, đặc điểm ứng dụng 2.4.2- Các trang thiết bị sử dụng thực tự động hoá vËn chuyển phôi 2.5- Tự động hoá thông số chế độ hàn (máy hàn tự động) 2.5.1- Khỏi nim, c điểm ứng dụng 2.5.2- Các trang thiết bị, phần t s dng tự động hoá thông số chế độ hàn Ch-ơng 3- trang thiết bị chủ yếu phục vụ cho trình hàn tự NG 3.1- Đồ gḠdùng sản xuất khí hàn 3.1.1- Khái niệm 3.1.2- Phân loại v ng dng 3.1.3- Một s đồ gá hàn điển hình 3.2- H thng rơ bốt hàn 3.2.1- Kh¸i niƯm đặc điểm hệ thống rơ bốt hà n 3.2.2- Kh«ng gian hoạt động, số bậc tự do, độ động hệ số phục vụ 3.3- Tổ chức chỗ làm việc hệ thống hàn tự động 3.3.1- H thng làm việc độc lập 3.3.2- Hệ thống làm việc dây chuyền Chương 4- THIẾT KẾ ĐỒ GÁ HÀN 4.1- Mở đầu 4.2- Phôi hàn 4.2.1- Khái niệm phân loại 4.2.2- Một số dạng, kết cấu kích thước phôi hàn dạng đơn 4.2.3- Một số dạng, kết cấu kích thước phơi hàn dạng kết cấu hàn 4.3- Phân loại, đặc điểm phạm vi ứng dụng đồ gá hàn 4.3.1- Phân loại 4.3.2- Đặc điểm phạm vi ứng dụng 4.4- Nguyên tắc gá lắp phôi hàn 4.4.1- Nguyên tắc định vị 4.4.2- Nguyên tắc kẹp chặt 4.5- Nguyên tắc thiết kế đồ gá hàn khí 4.5.1- Đồ gá hàn vạn 4.5.2- Đồ gá hàn chuyên dùng 4.6- Nguyên tắc thiết kế đồ gá hàn bán tự động, tự động 4.6.1- Đồ gá hàn vạn 4.6.2- Đồ gá hàn chuyên dùng 13 Tài liệu tham khảo: [1]- Trần Văn Đắc - Lý thuyết điều chỉnh tự động, tập 1, Nhà xuất Đại học Trung học Chuyên nghiệp Hà Nội 1983 [2]- Đặng Vũ Giao - Cơ sở điều khiển hệ thống tự động, tập 1, 2, Nhà xuất Đại học Trung học Chuyên nghiệp Hà Nội 1983 [3]- Đồ gá gia công cơ,Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, GS.TS Trần Văn Địch [4]- Klaus Golduer - Điều khiển học tương lai Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 1986 [5]- Trần Doãn Tiến - Tự động điều khiển q trình cơng nghệ Nhà xuất Giáo dục Hà Nội 1995 [6]- Kỹ thuật Vi xử lý Nhà xuất Thống kê Hà Nội 1983 - 0- Mở đầu 0.1- Mục đích, ý nghĩa CKH, TĐH (CKH, TĐH) - Nâng cao suất lao động, chất l-ợng sản phẩm - Cải thiện điều kiện, môi tr-ờng lao động (giảm c-ờng độ lao động, giải phóng công nhân khỏi công việc đơn điệu, lặp lặp lại; bảo đảm an toàn môi tr-ờng lao động không bị ô nhiễm, độc hại), ng-ời có điều kiện h-ớng tới hoạt động dịch vụ, giải trí, nâng cao chất l-ợng sống - Luôn hoàn thiện sản phẩm theo tiêu chí: đẹp, tiện lợi, nhiều tính năng, tin cậy, rẻ tiền v.v., h-ớng tới sản phẩm có chứa đựng yếu tố thông minh, phù hợp với lối sống, tập quán văn hóa địa ph-ơng, quốc gia - Dần dần TĐH làm thay đổi thứ hoạt động sản xuất, nh-: nâng cấp nhà x-ởng, chất l-ợng trang thiết bị, máy móc, dụng cụ, đồ gá; thay đổi tác phong, lề lối phong cách làm việc, cách tổ chức quản lý sản xuất, hầu hết trình tính toán thiết kế đ-ợc TĐH, nâng cao không ngừng chất l-ợng thiết kế 0.2- Phạm vi CKH, TĐH CKH, TĐH phạm trù rộng, bao trùm hoạt động nghiên cứu khoa học, sản xuất ngành nghề, lĩnh vực 0.2.1- Trong lĩnh vực công nghiệp sản xuất hàng tiêu dựng Có thể thấy nhiều loại thiết bị, máy móc, dây chuyền TĐH, chẳng hạn: - Các máy khí: máy ép gạch men ốp lát, máy đóng số phục vụ cho bán vé tàu, xe, máy đóng gói, cân, đo, đếm, phân loại, v.v - Các máy tự động: máy ®ãng gãi, c©n ®ong, ®o, ®Õm tù ®éng, in nh·n mác, kiểm tra tự động, dệt vải, in, thêu tự động, sản xuất thuốc (viên, n-ớc), phân loại sản phẩm tự động v.v - Trong dịch vụ công cộng: máy bán hàng, rút tiền tự động, cửa ra/vào, thang máy tự động, hệ thống điều khiển phân luồng giao thông tự động, thiết bị tự động đóng mở vòi n-ớc, sấy khô, trạm thu phí, bán xăng tự động, đèn chiếu sáng tự động, cảnh báo tự động hoả hoạn, động đất, khí độc v.v - Các dây chuyền sản xuất tự động: chăn nuôi, vắt sữa, trồng cây, gieo hạt, sản xuất bánh kẹo, r-ợu bia, sản xuất xi măng, gạch ngói, sản xuất thiết bị y tế, d-ợc phẩm, thông tin, điện tử (điện thoại, máy tính, ti vi, tủ lạnh, điều hoà, máy giặt, v.v.) 0.2.2- Trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo máy móc, thiết bị (Của ngành: Chế tạo máy, Điện, Xây dựng, Giao thông, Công nghệ Thông tin, Y, D-ợc, Thực phẩm, Hoá chất, Dệt may, ngành Khảo sát, thăm dò, Khai thác v.v.) Ví dụ ngành Cơ khí chế tạo: - Các máy công cụ truyền thống (vạn năng, chuyên dùng) - Các máy thiết bị gia công áp lực (máy gia công chuẩn bị phôi) - Các máy thiết bị đúc, gồm trang thiết bị đúc khuôn cát, máy đúc khuôn kim loại, v.v - Các máy công cụ tự động cứng (nhóm I, II III) điều khiển trục phân phối - Các máy công cụ tự động (mềm) điều khiển số (NC), điều khiển số máy tính (CNC), điều khiển khả lập trình (PLC) - Các trung tâm gia công (NC hay CNC) thực đ-ợc nhiều công việc gia công thay cho nhiều máy, nh-: tiện, phay, khoan, khoét, doa, gia công ren, v.v (tổ hợp nhiều nguyên công máy) với suất, chất l-ợng cao, ổn định Các máy gia công kim loại, trung tâm gia công nói đ-ợc tổ hợp thành dây chuyền khí đồng bộ, tự động hoá công đoạn, phần, tự động hoá toàn từ A đến Z trình công nghệ chế tạo, ví dụ: - Dây chuyền sản xuất CKH: dây chuyền sản xuất đúc, dây chuyền gia công khí, dây chuyền hàn, sơn, dây chuyền sản xuất lắp ráp, kiểm tra, bao gói v.v - Dây chuyền sản xuất thực chức nh- dây chuyền CKH, nh-ng hình thức bán tự động hay tự động hoàn toàn - Dây chuyền sản xuất tự động linh hoạt loại dây chuyền sản xuất TĐH đồng bộ, điều khác chỗ, dây chuyền đáp ứng nhanh quy trình công nghệ gia công thay đổi Chúng thích hợp với quy mô sản xuất loạt nhỏ vừa 0.2.3- CKH, TĐH sản xuất hàn CKH, T§H sản xuất hàn - khái niệm rộng Trước hết cần hiểu - nội dung (hoạt động) sản xuất hàn bao gồm: a- Hoạt động sản xuất vật liệu hàn (ví dụ: vật liệu bảo vệ mối hàn (khí, rắn); dây/que hàn; vật liệu làm chỗ chuẩn bị hàn (thuốc hàn dạng lỏng/rắn), v.v.) b- Hoạt động tổ chức, quản lý thiết kế gia công, chế tạo kết cấu, sản phẩm hàn mức độ (hình thức) CKH, bán tự động hay tự động hóa c- Các hoạt động kiểm tra, tra giám sát hàn Các hoạt động ứng dụng CKH, TĐH nhằm nâng cao hiệu sản xuất Trong học phần này, sau tìm hiểu số khái niệm, định nghĩa CKH, TĐH sản xuất khí, hàn, tập trung vào tìm hiểu công việc TĐH, trang thiết bị chủ yếu phục vụ cho trình hàn tự động thiết kế đồ gá hàn (mơ đun bán TĐ, TĐ) Ch-¬ng 1- Một số khái niệm, định nghĩa 1.1- Khái niệm khí hoá sản xuất khí hàn 1.1.1- Định nghĩa Cơ khí hoá thay sức lao động thủ công (bằng tay) ng-ời thợ máy móc để thực việc gia công, chế tạo chi tiết máy, hay máy móc, thiết bị theo quy trình công nghệ xác định 1.1.2- Một số dạng (loi cụng vic) CKH Trong sản xuất khí, có nhiều công việc cần đ-ợc CKH, tạm chia năm dạng sau: - CKH trình gia công chuẩn bị phôi (trên thiết bị: gia công áp lực, đúc, hàn) - CKH trình gia công cắt gọt (trên máy công cụ truyền thống) - CKH trình vận chuyển (bằng nhiều loại ph-ơng tiện, thiết bị CKH khác tuỳ theo hình dạng, kích th-ớc khối l-ợng phôi liệu, ví dụ: cổng trục, cầu trục, pa lăng điện, xe nâng/hạ, băng tải, băng lăn, máng tr-ợt, cấu xếp phôi liệu v.v - CKH công việc gá lắp phôi máy gia công kim loại (các loại đồ gá kẹp phôi khí, khí nén, kết hợp gá kẹp - điện, - khí nén, v.v.) - CKH trình lắp ráp (thực trang thiết bị, đồ gá vạn chuyên dùng, nh-: dụng cụ lắp ráp (các dụng cụ tháo/lắp, loại súng lắp ráp, v.v.), đồ gá lắp ráp (ê tô, mỏ kẹp, vam, bàn quay, phân độ, v.v.) D-ới giới thiệu số trang thiết bị để CKH trình vận chuyển phôi liệu Băng lăn - ph-ơng tiện vận chuyển phôi liệu, sản phẩm đến qua máy gia công hay vị trí lắp ráp Băng lăn có kết cấu lăn đ-ợc gá lắp song song giá đỡ Phôi di chuyển vuông góc với trục lăn đến vị trí xác định nhờ độ nghiêng băng lăn (hỡnh 1.3, dùng tay đẩy nhẹ phôi băng lăn) Xích tải treo- (hình 1.1) ph-ơng tiện vận chuyển phôi liệu, sản phẩm với nhiều hình dạng khác đến vị trí gia công khác Đ-ợc dùng sản xuất hàng loạt, nh- dây chuyền lắp ráp, mạ, sơn v.v Hình 1.1- Xích tải treo Cầu trục - (hình 1.2) ph-ơng tiện vận chuyển phôi liệu khối l-ợng, kích th-ớc lớn đến vị trí gia công theo yêu cầu phục vụ gá lắp máy gia công phân x-ởng Chuyển động khối dầm (dọc theo phân x-ởng) đ-ợc thực động thông qua hộp giảm tốc (trên khối dầm 1, xe tời di chuyển nhờ động 5); điều khiển chuyển động khối xe buồng nhờ nút bấm tay Cầu trục có lăn 7, hệ thống dây tải điện 8, móc treo Khẩu độ (chiều rộng L) th-ờng từ 10 mét trở lên Tải trọng nâng tõ: 5, 8, 10, 15, 20, 40, v.v tÊn, thËm chí có loại siêu trọng đến 120 Hình 1.2- Cầu trục Máng tr-ợt - ph-ơng tiện vận chuyển phôi đến cấu cấp phôi, từ cấp cho máy gia công (th-ờng máy tự động cứng), hay vận chuyển phôi từ vị trí gia công đến vị trí gia công khác Sự di chuyển phôi nhờ độ nghiêng máng (máng nghiêng) Hình dáng máng đ-ợc thiết kế, chế tạo phù hợp với hình dáng phôi cần vận chuyển (hình 1.3) Thiết bị xếp phôi (cơ cấu cấp phôi) - để xếp phôi tự động vào vị trí làm việc Hình 1.3 trình bày cấp phôi tự động kết hợp với máng nghiêng Thiết bị xếp phôi (cơ cấu cấp phôi) - để xếp phôi tự động vào vị trí làm việc Hình 1.3 trình bày cấp phôi tự động kết hợp với máng nghiêng Hình 1.3 - Kết cấu máng nghiêng cấu xếp phôi 1.1.3- Mức độ CKH Trong trình gia công chi tiết, CKH thực phần, ví dụ: máy công cụ truyền thống, hầu hết hoạt động máy đ-ợc CKH (nh- chuyển động cắt gọt, chuyển động chạy dao, bôi trơn, làm mát v.v.), số thao tác khác ch-a đ-ợc CKH, ví dụ: gá lắp dụng cụ cắt, chọn chế độ cắt, kiểm tra chi tiết gia công v.v.; số trình sản xuất đ-ợc CKH toàn bộ, ví dụ: trình sản xuất thép cán, từ công đoạn chuẩn bị phôi đến vận chuyển xếp sản phẩm vào kho đ-ợc CKH thành dây chuyền sản xuất v.v Tuy nhiên, thiết kế quy trình công nghệ hay trình sản xuất, không thiết phải CKH toàn bộ, có thao tác, công việc đ-a CKH vào phức tạp, tốn kém, thực tay (thủ công) đơn giản nhiều, vấn đề phù hợp với điều kiện thực tế hiệu kinh tế đem lại 1.2- Khái niệm tự động hoá sản xuất khí hàn 1.2.1- Mụt s nh ngha c bn Trong sản xuất khí, TĐH mức độ phát triển cao CKH Có đ-ợc khác biệt hình thức điều khiển TĐH Vì vậy, tr-ớc hiểu TĐH gì, cần làm quen số khái niệm liên quan d-ới Điều khiển học (theo [ 2]) - Khoa học điều khiển, truyền xử lý thông tin hệ thống kỹ thuật phi kỹ thuật (trong thể sống, v.v.); rõ - Khoa học điều khiển hệ thống động phức tạp, nghiên cứu, ứng dụng lĩnh vực công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển tự động lý thuyết thuật toán vào việc điều khiển hệ thống Điều khiển - tác động có mục đích lên đối t-ợng điều khiển theo quy luật xác định tr-ớc Cụ thể hơn, điều khiển trình thu nhận xử lý thông tin, tác động lên đối t-ợng điều khiển để đạt đ-ợc kết theo mục đích xác định tr-ớc Hệ thống điều khiển - tập hợp thành phần vật lý có mối liên hệ tác động qua lại với nhau, để huy hiệu chỉnh thân (các thành phần vật lý) hệ thống khác Hình 1.5 - ví dụ hệ điều khiển (kín) động chạy dao máy tiện số máy gia công cắt gọt Hình 1.5- Hệ thống điều khiển (kín) động chạy dao Tín hiệu vào V- l-ợng chạy dao (ngang dọc) yêu cầu Tín hiệu C- l-ợng chạy dao (ngang dọc) thực tế R- Tín hiệu vào chuẩn E- Tín hiệu tác động B- Tín hiệu phản hồi MTín hiệu điều khiển H- Phần tử phản hồi (cảm biến vị trí) GV- Phần tử vào chuẩn (hộp chạy dao) G1- Các phần tử điều khiển điều khiển động G2 - Đối t-ợng điều khiển UNhiễu (tín hiệu vào không mong muốn), ảnh h-ởng nhiễu đến giá trị tín hiệu C V, R, M, C, B, E, U - c¸c biÕn sè cđa hƯ G1, G2, GV H - phần tử hệ Tuyến thuận - từ tín hiệu tác động E đến tÝn hiƯu C Tun ph¶n håi - tõ tÝn hiệu C đến tín hiệu phản hồi B Phản hồi âm - điểm tụ tồn phép trừ: E = R B Phản hồi d-ơng - ®iĨm tơ tån t¹i phÐp céng: E = R + B Điểm tụ (bộ so sánh)- Biểu diễn thuật toán cộng trừ, ký hiệu vòng tròn (A) Hai hay nhiều biến vào cộng trừ điểm tụ Đầu điểm tụ tổng đại số đầu vào Điểm tán- tín hiệu biến số vào đ-ợc phân nhiều nhánh từ điểm, điểm gọi điểm tán, ký hiệu nốt tròn đen (D) Điều chỉnh- tác động vào đối t-ợng nhằm khởi động, trì, làm thay đổi chấm dứt trình hoạt động kỹ thuật, công nghệ Về chất, điều chỉnh giống điều khiển, nh-ng phạm vi cụ thể hẹp Phân loại hệ thống điều khiển Hiện có nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển, cách phân loại theo tiêu khác nhau, chẳng hạn, theo: dạng tín hiệu (rời rạc hay liên tục), lớp ph-ơng trình vi phân mô tả động lực học hệ thống, dạng l-ợng tiêu thụ, số vòng kín hệ, dạng truyền động hệ, v.v Để làm sở nghiên cứu nội dung lý thuyết điều khiển, ng-ời ta phân loại theo nguyên lý điều khiển; có hai nguyên lý điều khiển bản: nguyên lý điều khiển kín (hệ thống điều khiển kín) nguyên lý điều khiển hở (hệ thống điều khiển hở) Hệ thống điều khiển hở - hệ thống mà tác động điều khiển R độc lập với đầu C (hình 1.6a) Hệ thống điều khiển hở có số đặc điểm (so với hệ kín): - Độ xác điều khiển cao 10 3.2.2- Không gian hoạt động, số bậc tự do, độ động hệ số phục vụ ca rụ bt Không gian hoạt ®éng (Vùng hoạt động)- vùng phẳng không gian xác định, bàn tay kẹp thực thao tác kỹ thuật, công nghệ định ứng với thơng số hình học số bậc tự Với rơ bốt, xét lý thuyết, vùng hoạt động chia làm nhiều dạng khác nhau, vùng hoạt động cực đại, vùng hoạt động phần, vùng hoạt động có hướng khơng đổi vùng hoạt động tồn phần Hình 3.17 mơ tả số dạng vùng hoạt động số rơ bốt Hình 3.17- Một số dạng vùng hoạt động rơ bốt Hình 3.17- Một số dạng vùng hoạt động rô bốt (tiếp) Định nghĩa các dạng vùng hoạt động Vùng hoạt động cực đại - vùng tập hợp vị trí mặt phẳng hay không gian mà tâm bàn tay kẹp (điểm M) đạt tới ứng với thơng số hình học bậc tự xác định rơ bốt (hình 3.17) Vùng hoạt động cực đại ln có kích thước (thể tích) lớn Vùng hoạt động cực đại chưa tính đến định hướng bàn tay kẹp Các vùng hoạt động lại tính đến định hướng bàn tay kẹp Vùng hoạt động phần - vùng tập hợp vị trí mặt phẳng hay khơng gian mà tâm bàn tay kẹp (điểm M) đạt tới theo số hướng khác ứng với thơng số hình học bậc tự xác định rơ bốt 41 Hình 3.18 mơ tả khả bàn tay kẹp đạt tới vị trí hàn M hay M* số hướng khác vùng hoạt động cực đại ABCDEF Các vị trí lân cận M*, bàn tay (đầu mỏ hàn) tiếp cận chi tiết hàn (hàn được) theo số hướng (chẳng hạn: hướng 1, hướng 2); hạn chế kích thước hay bậc tự mà bàn tay kẹp đưa mỏ hàn để hàn vị trí M* theo hướng khác (chẳng hạn hướng 3, hướng 4, hướng 5, hướng vị trí M) Khi đó, vùng tập hợp điểm lân cận M* (xung quanh M*) mặt phẳng hay không gian, gọi vùng làm việc phần Nhưng vị trí M, mỏ hàn hàn nhiều hướng khác hơn, chí M vị trí xung quanh M, mỏ hàn hàn hướng, vùng tập hợp điểm M điểm xung quanh M gọi vùng hoạt động toàn phần Dưới định nghĩa vùng hoạt động toàn phần Vùng hoạt động toàn phần - vùng tập hợp vị trí mặt phẳng hay khơng gian mà tâm bàn tay kẹp (điểm M) đạt tới theo hướng ứng với thơng số hình học bậc tự xác định rơ bốt Hình 3.18, vùng hoạt động tồn phần tạo tập hợp điểm M điểm xung quanh M, mỏ hàn hàn hướng Hình 3.18- Các khả định hướng rơ bốt Vùng hoạt động có hướng khơng đổi - vùng tập hợp vị trí mặt phẳng hay không gian mà tâm bàn tay kẹp (điểm M) đạt tới theo hướng không đổi ứng với thơng số hình học bậc tự xác định rơ bốt 42 Hình 3.19- Vùng hoạt động có hướng khơng đổi Hình 3.19 mơ tả vùng hoạt động có hướng khơng đổi hai rơ bốt ba bậc tự do, hoạt động hệ toạ độ Đề Đối với rô bốt này, tiếp cận đối tượng hay hàn, tâm bàn kẹp đạt theo hướng (rô bốt bên trái có hướng tiếp cận đối tượng theo hướng chuyển động q1, cịn rơ bốt bên phải, tiếp cận đối tượng theo hướng q3) Những rô bốt dạng này, tiếp cận đối tượng theo hướng dạng cấu trúc động học thân rô bốt định, cụ thể dạng (loại) khớp động học liên kết khâu rô bốt cách bố trí vị trí khớp chuỗi động học định khả định hướng chúng Chẳng hạn, rơ bốt tồn khớp trượt (hình 3.19), rơ bốt có số khớp quay khớp trượt (hình 3.17c) tiếp cận định hướng vào đối tượng công tác theo hướng Vùng hoạt động thực tế - thực tế, lắp đặt rô bốt nơi làm việc, không gian nơi làm việc bị hạn chế trang thiết bị kèm (chẳng hạn, máy gia công (máy tiện, máy hàn, v.v.), đồ gá, phôi, trang thiết bị phụ, v.v.) cách bố trí lắp đặt mà số vị trí vùng hoạt động, cánh tay rơ bốt, theo lý thuyết với tới, làm việc thực tế lại bị hạn chế; chí vùng hoạt động cịn bị hạn chế Hình 3.20- Vùng hoạt động thực tế rô bốt rơ bốt làm việc phối hợp (hình 3.20) Do vậy, thể tích vùng hoạt động thực tế rơ bốt thể tích vùng hoạt động cực đại trừ thể tích vùng hoạt động bị hạn chế (do không gian lắp đặt cách bố trí rơ bốt) 43 Sè bËc tù - số thông số định vị đủ để xác định vị trí rơ bốt khơng gian xác định (hệ tọa độ xác định); số nguyên, ký hiệu n, n ≥ Đối vơi rô bốt chuỗi động hở, số bậc tự số khâu động (không kể chuyển động kẹp vật bàn tay kẹp) Trong công nghiệp, rơ bốt hàn, lắp ráp thường có sáu bậc tự Các khớp liên kết khâu thường khớp lề hay khớp trụ (khớp loại 5) khớp trượt Vị trí định hướng bàn tay kẹp Khi kẹp vật (chẳng hạn kẹp mỏ hàn), bàn kẹp phải xác định vị trí cần đạt tới đối tượng công nghệ (điểm hàn bề mặt vật hàn) định hướng bàn tay kẹp tiếp cận đối tượng (hướng trục mỏ hàn so với vật hàn điểm hàn M, hình 3.21) 1, 2, 3, góc định hướng theo phương Mn, Ms, Ma trục mỏ hàn hàn so với hệ tọa độ cố định Mxyz (khi cho gốc cố định O trùng M) Như vậy, để thực thao tác kỹ thuật, công nghệ, chuyển động rơ bốt, chuyển động bàn tay kẹp phải xác định vị trí hướng (trong kỹ thuật Hình 3.21- Vị trí định hướng mỏ hàn rơ bốt, vị trí hướng gọi bàn tay kẹp) Chú ý rằng, góc 1, 2 3 xác định theo công nghệ hàn tương ứng Theo phép biến đổi Denavit - Hartenberg, ma trận xác định vị trí hướng khâu n so với khâu (giá) cố định O (hệ Oxyz) rơ bốt chuỗi động hở có dạng: n x0  n T0 (q )   0y n z   s x0 a x0 s 0y a 0y s z0 a z0 0 M x0   M y0   A10 (q1 ).A21 (q ) Ann 1 (q n ) 0 Mz   (3.1) Trong đó, phần tử cột thứ nhất, thứ hai thứ côsin phương trục Mn, Ms, Ma so với trục Mx, My, Mz (khi tính tốn góc định hướng, cho M trùng O) Ba phần từ đầu cột thứ tư vị trí tâm M bàn tay kẹp hệ Oxyz Aii 1 , i = 1n - ma trận chuyển hệ tọa độ từ hệ i hệ i-1 qi, i = 1n - tọa độ suy rộng ca khp th i 44 động hệ sè phôc vô Về chất, khái niệm Độ động Hệ số phục vụ rô bốt phản ánh tính linh hoạt, mềm dẻo rơ bốt làm việc Điều khác biệt là: độ động chủ yếu phản ánh tính linh hoạt, mềm dẻo rơ bốt xác định vị trí; cịn hệ số phục vụ chủ yếu phản ánh khả linh hoạt, mềm dẻo rô bốt định hướng Các khái niệm có mối liên quan rõ nét với khái niệm vùng hoạt động rô bốt Độ động - lý thuyết, rô bốt có bậc tự n = đáp ứng nhiều thao tác kỹ thuật, công nghệ Tuy nhiên, rô bốt thiết kế, chế tạo có số bâc tự n nhỏ tùy thuộc vào nhiệm vụ rô bốt đảm nhiệm Khi đó, độ động định nghĩa: hiệu số n - = m, m nguyên Nếu m = 0, tốn động học ln có lời giải Khi đó, ứng với 12 phần tử cột đầu phương trình (3.1) ln xác định (giải nghiệm phương trình (3.1)) tọa độ suy rộng qi tương ứng Nếu m < độ động bị hạn chế (3.1) lúc thỏa mãn, nghĩa với 12 phần tử cột đầu phương trình (3.1), khơng phải lúc xác định (giải phương trình (3.1)) qi tương ứng m > 0, toán động học ln có nhiều lời giải Khi đó, vị trí có nhiều thơng số định hướng ứng với qi khác nhau, khả động rô bốt tăng lên nhiều lần Như vậy, liên hệ với khái niệm vùng hoạt động rô bốt, thấy: - Vùng hoạt động phần, vùng hoạt động có hướng khơng đổi có m ≤ 0, vùng hoạt động tồn phần có m > - Đối với số rơ bốt có bâc tự n ≥ 6, vùng hoạt động cực đại, gồm vùng có m = m< m > Những nhật xét có ý nghĩa lớn thực tế việc bố trí, lắp đặt rơ bốt cho hiệu sử dụng cao Hệ số phục vụ - hệ số phục vụ (i) định nghĩa sau: i = i/i.2 (3.2) Trong đó: i - góc phục vụ, i = 1, góc mặt phẳng; i = 2, góc (nón) khơng gian Ứng với cấu trúc động học thơng số hình học xác định rơ bốt, góc i xác định giới hạn, mà tâm bàn tay kẹp đạt định hướng tới Như vậy, với rơ bốt có góc i lớn, khả định hướng tăng (tiếp cận đối tượng vị trí theo nhiều hướng khác nhau) Đối với rơ bốt phẳng, ta có: 1 = 1/2 (3.3) 45 Do đó:  min = ≤ 1 ≤ 2 = max (3.4) min = ≤ 1 ≤ = max (3.5) Đối với rơ bốt khơng gian, ta có: 2 = 2/4 (3.6) Do đó:  min = ≤ 1 ≤ 4 = max (3.7) min = ≤ 1 ≤ = max (3.8) Trường hợp i = min = ứng với rơ bốt có vùng hoạt động có hướng khơng đổi Khi đó, điểm vùng hoạt động, bàn tay kẹp tiếp cận vật theo hướng Trường hợp > i > ứng với rơ bốt có vùng hoạt động phần Trường hợp i =1 ứng với rơ bốt có vùng hoạt động toàn phần Giá trị i phụ thuộc vào cấu trúc động học số bậc tự rô bốt Ý nghĩa ứng dụng thực tế - vùng hoạt động rô bốt tính kỹ thuật quan trọng, cho biết giới hạn không gian hoạt động, khả định hướng bàn tay kẹp rô bốt vị trí khác Nghiên cứu khảo sát vùng hoạt động tạo sở khai thác triệt để tính kỹ thuật trình lắp đặt, sử dụng rô bốt Khi nghiên cứu khảo sát vùng hoạt động, tính giá trị hệ số phục vụ điểm vùng hoạt động, từ biết việc bố trí, lắp đặt rơ bốt hợp lý Có thể thấy rõ ứng dụng sau đây: - Bố trí lắp đặt rơ bốt làm việc phối hợp với trang thiết bị, dụng cụ, đồ gá kèm cho thể tích vùng hoạt động thực tế lớn - Bố trí lắp đặt đồ gá động gá phôi (làm việc phối hợp với rô bốt) vào vùng hoạt động rô bốt cho bàn tay kẹp tiếp cận vị trí thao tác định hướng dễ dàng - Trường hợp đồ gá tĩnh, bố trí lắp đặt vào vùng hoạt động rô bốt mà hệ số phục vụ có giá trị lớn (càng lớn tốt), giảm số lần gá lắp phơi phải hàn đường hàn phức tạp, tiết kiệm cho việc phí đầu tư mua đồ gá động - Tránh bố trí đồ gá (động, tĩnh) vào vùng hoạt động rô bốt với hệ số phục vụ có giá trị nhỏ Cuối cùng, doanh nghiệp, có nhu cầu đầu tư rơ bốt vào sản xuất, biết chọn loại rô bốt (ngồi tiêu, tính kỹ thuật thơng thường, cần biết thêm thông tin tiêu dạng vùng hoạt động mà rơ bốt có để lựa chọn) hợp lý hiệu 3.3- Tổ chức chỗ làm việc hệ thống hàn tự ®éng 3.3.1- Hệ thống làm việc độc lập 46 Chỗ làm việc hệ thống hàn TĐH làm việc độc lập thường bố trí rơ bốt tĩnh (lắp đặt cố định vị trí xác định phân xưởng nhà máy) Tại đây, máy hàn trang thiết bị kèm theo, cịn bố trí thêm đến hai ĐGH làm việc phối hợp với rơ bốt (hình 3.22) Rơ bốt đảm nhiệm tất thao tác hàn cụm kết cấu khí theo quy trình cơng nghệ thiết kế lập trình từ trước Hình 3.22- Chỗ làm việc hệ thống RMĐP Các ĐGH (thuộc loại ĐGH vạn năng) làm việc, điều khiển tự động theo chương trình Ngồi ra, có trường hợp ĐGH hệ thống RMĐP loại ĐGH tĩnh (ĐGH khí lắp đặt cố định vị trí) Khi đó, phơi gá lắp đồ gá thường lắp đặt vùng hoạt động tồn phần (hình 3.23) nhằm hạn chế tối đa việc thay đổi vị trí gắp lắp phơi suốt q trình hàn 47 Hình 3.23- Chỗ làm việc hệ thống RMĐP với ĐGH tĩnh Hình 3.23- Chỗ làm việc hệ thống RMĐP với ĐGH tự động động hai rô bốt 3.3.2- Hệ thống làm việc một dây chuyền Khi cần hàn sản phẩm (số lượng lớn) có kết cấu phức tạp, kích thước lớn mà vị trí trí khơng thể hoàn thành tất mối hàn, đường hàn chúng, đó, để hồn thành cơng việc hàn theo u cầu, người ta thiết tồn quy trình cơng nghệ hàn thành 48 dây chuyền có nhiều rơ bốt tham gia hàn Mỗi rơ bốt đảm nhiệm hàn số điểm, đường sản phẩm Lúc này, ĐGH thiết kế thành dây chuyền với hai chức năng: dùng để gá lắp di chuyển phơi qua vị trí hàn yêu cầu Các hình 3.24, 3.25 3.26 minh họa dây chuyền Hình 3.24- Dây chuyền hàn tự động hệ thống RMĐP Hình 3.25- Dây chuyền hàn tự động hệ thống RMĐP 49 Hình 3.26- Dây chuyền hàn khung, vỏ ô tô tự động hệ thống RMĐP Chương 4- THIẾT KẾ ĐỒ GÁ HÀN 4.1- Mở đầu Vai trò ĐGH hệ thống RMĐP: - Tăng suất, tăng ổn định độ xác gia cơng chi tiết - Mở rộng khả công nghệ cho hệ thống RMĐP - Giảm cường độ lao động, cải thiện điều kiện lao động cho người thợ - Bảo đảm an toàn cho thợ trang thiết bị, máy móc 4.2- Phơi hàn 4.2.1- Khái niệm phân loại Trong gia cơng khí, tuỳ yêu cầu kỹ thuật, chi tiết máy lựa chọn chế tạo từ loại phôi khác (phôi cán, phôi đúc, phôi rèn hay phôi hàn, v.v.) Trong hàn, phơi có nhiều hình dạng, kích thước khác Để dễ khảo sát, ta chia phôi hàn hai loại chính: phơi hàn dạng đơn phơi hàn dạng kết cấu hàn Phôi hàn dạng đơn - phôi tạo để chuẩn bị cho trình chế tạo kết cấu, sản phẩm Phôi dạng thường chế tạo phương pháp cắt hàn nóng chảy (cắt hồ quang khí); chế tạo phương pháp gia công cắt gọt hay gia công áp lực 50 Phôi hàn dạng kết cấu hàn hay kết cấu hỗn hợp khí hàn - phơi dạng kết cấu thép ghép nối từ phôi hàn dạng đơn cơng nghệ hàn nóng chảy hay cơng nghệ hàn áp lực hay công nghệ hàn khác; ghép nối khí từ phơi đơn xen lẫn lắp ghép hàn từ phôi đơn tạo thành cụm phôi bán thành phẩm, chuẩn bị cho ngun cơng gia cơng hồn thiện 4.2.2- Mợt số dạng, kết cấu kích thước phơi hàn dạng đơn Về hình dạng, kết cấu, gồm loại phôi: - Dạng trục (đặc, rỗng) - Dạng đĩa, (mỏng, dày) - Dạng (rỗng, đặc) - Dạng - Dạng ống/bạc Về kích thước, khối lượng, gồm có: cỡ nhỏ; cỡ trung bình; cỡ lớn; cỡ lớn (siêu trường, siêu trọng) 4.2.3- Một số dạng, kết cấu kích thước phơi hàn dạng kết cấu hàn Về hình dạng, kết cấu, gồm loại phơi: - Dạng hộp (từ phôi dày, mỏng) - Dạng đĩa, (mỏng, dày) - Dạng (rỗng, đặc) - Dạng - Dạng ống/bạc - Dạng hỗn hợp (kết cấu tạo từ dạng trên) Về kích thước, khối lượng, gồm có: cỡ nhỏ; cỡ trung bình; cỡ lớn; cỡ lớn (siêu trường, siêu trọng) 4.3- Phân loại, đặc điểm phạm vi ứng dụng đồ gá hàn (xem mục 3.12) 4.3.1- Phân loại (xem mục 3.12) 4.3.2- Đặc điểm phạm vi ứng dụng Các đặc điểm phạm vi ứng dụng dựa theo tiêu chí phân loại ĐGH tĩnh ĐGH động Đồ gá tĩnh - đồ gá đứng yên, nên có đặc điểm sau: - Phạm vi khối lượng, kích thước phơi hàn rộng - Thao tác hàn khó thực phôi, hàn tư hàn khó 51 - Khó hàn đường hàn phức tạp - Khơng điều khiển đồ gá (vì đồ gá đứng yên) - Kết cấu đơn giản đồ gá động - Chế tạo dễ hơn, đầu tư thấp Đồ gá động - đồ gá chuyển động, nên có đặc điểm sau: - Phạm vi khối lượng, kích thước phơi hàn hạn chế - Thao tác hàn dễ thực phôi, hàn tư hàn khó - Dễ hàn đường hàn phức tạp - Điều khiển chuyển động đồ gá - Kết cấu phức tạp đồ gá tĩnh - Chế tạo khó hơn, đầu tư cao 4.4- Nguyên tắc gá lắp phôi hàn 4.4.1- Nguyên tắc định vị Khi định vị phôi hàn, cần ý đặc điểm sau: Nguyên tắc định vị: hoàn toàn nguyên tắc định vị khí (đã học) Tuy nhiên, với đặc thù sản phẩm kết cấu hàn, có trường hợp - để thực trình định vị, cần kết hợp số biện pháp bổ trợ, là: hàn đính cách đều, hàn đính đối xứng (trong mặt phẳng hay khơng gian) để xác định vị trí chuẩn ban đầu phơi trước hàn Ví dụ trình định vị hàn dầm chữ I , chữ T , hay hàn tạo phôi kết cấu hàn cho hộp giảm tốc v.v (vẽ hình minh hoạ) Đặc biệt, có sản phẩm hàn, chẳng hạn hàn ống đường kính lớn, khơng có q trình kẹp chặt phôi với đồ gá; sau định vị hai phôi với (theo nguyên tắc định vị đồ gá) để bảo đảm độ đồng tâm, chúng kẹp chặt vào hàn đính, tạo thành khối ống trụ đồng tâm, q trình hàn tồn chu vi khối trụ tiến hành nhờ trình “định vị động” lăn chữ V đồ gá mà khơng có việc kẹp chặt khối trụ vào đồ gá (hình 4.1) 52 Hình 4.1- Đồ gá hàn khối trụ rỗng Độ xác định vị - tuỳ thuộc yêu cầu chất lượng sản phẩm hàn, thông thường thấp v.v Sau hàn xong, cần, thường có biện pháp chỉnh sửa để đạt chất lượng hình dáng, kích thước 4.4.2- Ngun tắc kẹp chặt Khi kẹp chặt phơi hàn, kẹp số hình thức sau: kẹp khí, kẹp hàn, kết hợp, “tự kẹp” nhờ trọng lượng thân phơi hàn: Kẹp khí - cấu kẹp, nguyên lý truyền động, tính toán lực kẹp, thiết kế nguyên lý kết cấu, v.v., hồn tồn tham khảo tài liệu, giáo trình hay sách chuyên ngành viết đồ gá khí Các chi tiết kẹp khí, sau trình làm việc (sử dụng) tháo/lắp tuỳ theo yêu cầu Kẹp hàn - trình kẹp tiến hành hoàn chỉnh đường hàn theo yêu cầu (như vẽ thiết kế) việc kẹp hàn kết thúc Quá trình phải tiến hành dần dần, hàn, ảnh hưởng nhiệt độ, chi tiết bị biến dạng nhiệt; nên việc hàn phải tiến hành với biện pháp kỹ thuật (các biện pháp hàn chống biến dạng) cho nhiệt phân bố đều, bảo đảm độ xác hình dạng, kích thước theo yêu cầu Các trường hợp kẹp hàn: kẹp chặt phôi với đồ gá; kẹp chặt phôi với đặt (định vị) lên đồ gá 53 Các chi tiết kẹp hàn sau trình làm việc (sử dụng) khơng tháo Như vậy, q trình kẹp hàn thực q trình cơng nghệ gia cơng hàn Kẹp chặt kết hợp khí - hàn - kết hợp hai hình thức Ví dụ: v.v “Tự kẹp” nhờ trọng lượng thân phơi hàn - Ví dụ: v.v 4.5- Nguyên tắc thiết kế đồ gá hàn khí 4.5.1- Đồ gá hàn vạn Thiết kế ĐGH vạn cần tuân theo nguyên tắc sau: Dựa (bám sát) vào đặc điểm ĐGH vạn năng: - Các bề mặt lắp ghép phôi hàn với đồ gá hầu hết thiết kế tiêu chuẩn hố - Trên đồ gá, ứng dụng hàn nhiều lại phơi có hình dạng, kết cấu khác - Phạm vi khối lượng, kích thước từ lớn, trung bình trở xuống - Mức độ TĐH cao, chí thiết kế ĐGH có mức độ TĐH linh hoạt - ĐGH tĩnh áp dụng mức độ khác Vận dụng nguyên tắc, kiến thức thiết kế máy khí 4.5.2- Đồ gá hàn chuyên dùng Thiết kế ĐGH vạn cần tuân theo nguyên tắc sau: Dựa (bám sát) vào đặc điểm ĐGH chuyên dùng: - Các bề mặt lắp ghép phôi hàn với đồ gá thiết kế phải dựa vào hình dạng, kết cấu phơi hàn Vì thế, loại phơi hàn, lại có ĐGH tương ứng thiết kế, chủng loại ĐGH chun dùng khơng có giới hạn! - Trên đồ gá, ứng dụng hàn dạng phơi với phạm vi kích thước giới hạn định - Phạm vi khối lượng, kích thước “bất kỳ” (nhỏ, trung bình, lớn lớn) - Mức độ TĐH thấp loại ĐGH vạn năng, tức ĐGH chun dùng khơng có loại ĐGH tự động linh hoạt - ĐGH tĩnh áp dụng rộng rãi Vận dụng nguyên tắc, kiến thức thiết kế máy khí 4.6- Nguyên tắc thiết kế đồ gá hàn bán tự động, tự động 4.6.1- Đồ gá hàn vạn Ngoài việc tuân theo nguyên tắc thiết kế ĐGH vạn nêu trên, cần bổ sung thêm nguyên tắc sau: 54 - QTCN tự động hóa - Tổng hợp chu kỳ hoạt động hệ thống 4.6.2- Đồ gá hàn chuyên dùng 55