1.4.1. Giới thiệu một số robot hàn.
đơn giản đến những hệ thống có tới hơn 10 kết cấu tƣơng tác với nhau. Chúng có thể dùng để nhấc các chi tiết nhỏ với độ chính xác cực cao. Các ro ot thƣờng dùng để làm các nhiệm vụ nhƣ hàn, cắt, sơn lắp ráp...
Hình 1.15 Robot hàn
Robot IRB 1410 ArcPack đƣợc sử dụng trong Nhà máy sản xuất cơ khí Hải Hà, IRB 1410 ArcPack nh m nâng cao hiệu qủa sản xuất quá trình hàn các cấu kiện, lắp ráp xe gắn máy tại nhà máy. Hệ thống robot của ABB lắp đặt tại Hải Hà có rất nhiều tính năng hữu ích cho quá trình hàn. Một trong các tính năng đó là khả năng tự khôi phục lỗi, theo đó ro ot có thể tự động tìm lại vị trí hàn bị lỗi để tiếp tục hàn. Điều này giúp tránh bị bỏ sót mối hàn khi hệ thống bị lỗi – điều mà chỉ có robot ABB có thể làm đƣợc. Một điểm khác đáng đề cập đến là tính năng AutoSave – robot tự động lƣu lại các chƣơng trình đang lập trình nếu xảy ra mất điện, do vậy giúp khách hàng tiết kiệm thời gian lập trình ro ot trong trƣờng hợp bị mất điện.
Hình 1.17 Robot hàn tại xƣởng thực hành của Đại học bách khoa Hà Nội 1.4.1. Kết cấu của robot hàn ống dầu khí
Hầu hết các ro ot hàn thƣờng lựa chọn cấu trúc chuỗi động học hở. Nhiều loại robot hàn là cổ tay với ba trục khớp quay cuối cùng tính từ bàn kẹp, có trục đồng quy tại một điểm. Điều này tạo ra sự thuận lợi cho việc định hƣớng khâu tác động cuối là mỏ hàn khi tiếp cận đối tƣợng để tao tác công nghệ.
Đặc điểm nỗi bật nữa của robot hàn là khớp cổ tay thƣờng có giới hạn cử động lớn, nh m đáp ứng các chuyển động phức tạp khi thao tác, hệ số phục vụ lớn là điều kiện cần thiết để tiếp cận một điểm từ nhiều phía trong không gian. Điển hình nhƣ ro ot VR006 CII Panasonic có thể thực hiện chuyển động roll cổ tay
0
400
, bất chấp sự cản trở của cơ cấu cấp dây hàn gá trên khâu 6.
Hình minh họa sau đây là một robot hàn ống dẫn dầu (MWR) nhƣ Hình 1.18 sẽ đƣợc lựa chọn để nghiên cứu trong phạm vi luận văn này
Mô tả cấu tạo chi tiết:
Khâu 0:
Về cấu trúc động học thì hệ thống vành ray dẫn và ống trụ, đóng vai trò khâu 0 trong tổng thể Robot MWR, thực tế vành ray dẫn đƣợc gắn chặt vào ống trụ (có thể tháo lắp). Với bề mặt đƣợc gia công biên dạng răng côn, vòng thanh răng sẽ tiếp xúc với ánh răng đƣợc dẫn động b ng động cơ thông qua hộp số trung gian.
`
Hình 1.19: Mô hình khâu 0 (ray dẫn hƣớng)
Khâu 1:
Khâu 1 đƣợc dẫn động đối với khâu 0 nhờ hệ thống ánh xe định vị và dẫn hƣớng, Hộp giảm tốc chuyên dụng là bộ truyền trung gian. Động cơ đƣợc lắp trên khâu động 1 hoạt động sẽ truyền động cho trục vít dẫn động cho Hộp giảm tốc chuyên dụng, đây là hộp giảm tốc trục vít - bánh vít 2 cấp, tỷ số truyền khoảng 1:2000.
Do đó Hộp giảm tốc trục vít - bánh vít làm việc sẽ dẫn động cho ánh răng trụ ăn khớp với biên dạng răng trụ trên ray dẫn.
Khâu 2:
Khâu thứ hai cấu trúc cơ ản về cơ khí nhƣ (hình vẽ 1.21), nó là một thanh lắp ráp vuông góc với khâu 1 và tịnh tiến theo trục O1Z1, nhƣng trong thực tế chế tạo có bộ ổ đỡ, trục vít, động cơ, …đƣợc gắn lên tấm đỡ, tấm đỡ này đƣợc bắt vít vào thanh dẫn, đầu thanh dẫn có bạc ăn khớp với trục vít me của khâu thứ nhất, do đó khi động cơ 2 hoạt động sẽ dẫn động tới trục vitme, làm trục vitme chuyển động đồng nghĩa với việc làm cho khâu hai chuyển động tịnh tiến. Động cơ dẫn động khâu 2 đƣợc gắn trên khâu 1.
Hình 1.21: Mô hình khâu 2
Khâu 3:
Hình 1.22: Mô hình khâu 3
Khâu 3 đƣợc lắp rắp đồng trục, và xoay quanh trục O2Z2 đối với khâu 2. Khi thiết kế thực tế toàn bộ khâu 3 gồm các bộ phận nhƣ, ao gồm ổ bi, cổ trục, cặp ánh răng, động cơ ...đƣợc lắp rắp lên tấm đỡ gắn chặt b ng đai ốc trên khâu 2.
Khâu 4:
Là khâu chuyển động quay.
Hình 1.23: Khâu 4
Khâu cuối về cơ ản phƣơng pháp lắp đặt cũng nhƣ trên và đƣợc thể hiện nhƣ hình vẽ, khâu này cũng sử dụng bộ truyền vitme đai ốc bi kết hợp cơ cấu dẫn
hƣớng, khâu 4 quay quanh O3Z3 một góc ζ4 . Và trên khâu này sẽ mang theo khâu mỏ hàn.
Khâu 5:
Là khâu chuyển động tịnh tiến.
Hình 1.24: Khâu 5
Khâu này mang theo đầu mỏ hàn liên kết với khâu 4 b ng khớp tịnh tiến chuyển động dọc theo trục O4Z4. Trong thực tế nó đƣợc lắp ráp một bộ vít me, đai ốc, động cơ… để dẫn động cho khâu này hoạt động.
1.4.2. Bậc tự do chuyển động của robot hàn ống dầu khí
Theo lý thuyết một vật thể tự do trong không gian ba chiều có 6 bậc tự do, ba bậc tự do tịnh tiến xác định vị trí, ba bậc tự do quay xác định hƣớng của vật thể. Cấu trúc động học của robot ràng buộc và hạn chế khả năng chuyển động của robot có thể cả về vị trí, vận tốc, gia tốc. Về mặt cơ học, số ậc tự do của robot đƣợc hiểu là số di chuyển ảo độc lập của nó. Đối với các ro ot mà chuyển động của nó chịu sự hạn chế về vị trí thì số bậc tự do đƣợc xác định bởi số tham số độc lập đủ để xác định vị trí của robot. Ta có công thức xác định số bậc tự do của robot là:
1 ( 1) ( ) g i c r i f n f f f - Trong đó: f là số ậc tự do của robot
n là số khâu của robot bao gồm cả giá cố định
là số ậc tự do của một vật rắn không chịu liên kết trong không gian làm việc của robot ( 3, 6lần lƣợt tƣơng ứng với không gian hai chiều và ba chiều).
i
f là số bậc tự do của khớp thứ i (khả năng chuyển động tƣơng đối giữa hai khâu nối bởi khớp thứ i).
g là tổng số khớp của cơ cấu.
c
f là số liên kết thừa.
Hình 1.25: Cấu trúc động học robot MWR
Trên hình sau đây mô tả sơ đồ động học của ro ot hàn di động
Hình 1.26: Sơ đồ động học của robot hàn di động
Chú thích sơ bộ: 0. Giá 1. Khâu 1, khớp quay 1 2. Khâu 2, khớp trƣợt 2 3. Khâu 3, khớp quay 3 4. Khâu 4, khớp quay 4
5. Khâu 5, khớp tịnh tiến (gắn ống chứa dây hàn)
ζ1; ζ3, ζ4 - Chuyển động quay. d2, d3; d4- Chuyển động tinh tiến
1.4.3. Thông số đƣờng hàn và dặc tính kỹ thuật của Robot hàn
Robot hàn là một thiết bị cơ điện tử điển hình do đó các đặc tính của nó bao gồm nhiều thông số thuộc các chuyên môn khác nhau. Thông thƣờng nhà sản xuất sẽ cung cấp các thông tin cơ bản trong Catalog theo máy gồm:
- Hình dáng và kích thƣớc làm việc - Kích thƣớc gói, khối lƣợng tĩnh - Sơ đồ động học
- Bậc tự do
- Tầm với max, min
- Tải trọng danh nghĩa và lớn nhất - Độ chính xác, độ chính xác lặp lại
- Tốc độ di chuyển cực đại theo các phƣơng của hệ quy chiếu cơ sở - Giới hạn chuyển động của từng khớp trên cánh tay
- Hiệu điện thế không tải - Hệ điều hành
- Khả năng kết nối thiết bị ngoại vi
Đặc biệt đối với Kỹ sƣ công nghệ hàn là ngƣời sử dụng robot cần quyết định chế độ công nghệ gồm các thông tin sau để điều khiển máy
- Vh: Vận tốc 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 - : Tỉ khối kim loại hàn
- Tốc độ chạy dây
- Vận tốc di chuyển mỏ hàn - Lƣu lƣợng khí bảo vệ
- Khoảng cách từ mỏ hàn đến bề mặt gia công - Tƣ thế hàn, vị trí hàn
1.5. ỨNG DỤNG ROBOT HÀN TRONG NGÀNH DẦU KHÍ 1.5.1. Công tác lắp ráp đƣờng ống dẫn dầu khí ở Việt Nam 1.5.1. Công tác lắp ráp đƣờng ống dẫn dầu khí ở Việt Nam
Trong vận tải đƣờng ống, các ống cỡ lớn thƣờng sử dụng robot tự hành dẫn hƣớng b ng ray, đây là ro ot chuyên dụng cho hàn ống với khả năng tự hành giới
hạn. Hiện nay ở Việt Nam robot loại này có ứng dụng tại, công ty dịch vụ kỹ thuật dầu khí PTSC, Petrolimex, tuy nhiên chƣa có nhà cung cấp chính thức tại Việt Nam. Vận tải đƣờng ống cho giá thành rẻ, ít phải bảo trì cũng nhƣ lƣợng tổn thất trong quá trình vận tải là nhỏ hơn các hình thức khác. Ống sử dụng trong vận tải sản phẩm dầu khí vì lý do độ bền, lý do công nghệ thƣờng chế tạo b ng thép với đƣờng kính trong khoảng từ 150 – 500(mm), ên ngoài đƣợc bọc một lớp vật liệu composit hoặc vật liệu tổng hợp cách nhiệt, cách điện.
Do áp lực trong lòng ống lớn để vận chuyển trên khoảng cách xa, mặt khác chịu các tác động ngẫu nhiên từ môi trƣờng nên độ bền của mối ghép là vấn đề quan tâm hàng đầu. Ở khía cạnh này ống dẫn thƣờng không ghép b ng ren, do chúng có kích thƣớc lớn, mặt khác độ bền và độ kín khít của mối ghép ren đạt đƣợc với chi phí lớn hơn nhiều so với mối ghép b ng hàn. Đặc biệt với kích thƣớc lớn việc thi công lại diễn ra trên biển mối ghép ren không phải là lựa chọn trong trƣờng hợp thiếu thiết bị hỗ trợ chuyên dùng.
1.5.2. Công nghệ khai thác dầu khí ở Việt Nam
Ngày nay năng lƣợng là vấn đề sống còn của bất kỳ quốc gia nào, trong khi chƣa tìm ra nguồn năng lƣợng thay thế năng lƣợng hóa thạch một cách thích đáng, dầu mỏ và các sản phẩm của nó vẫn là năng lƣợng quan trọng nhất với bất kỳ quốc gia nào, việc ngƣời Việt Nam sớm tự chủ trong công nghệ và kỹ thuật khai thác dầu là vấn đề chiến lƣợc quan trọng.
Sản phẩm của ngành dầu khí thƣờng dƣới dạng chất lỏng hoặc chất khí, với đặc điểm khai thác trên biển không thuận tiện cho việc chuyên chở b ng tàu thuyền, hình thức vận tải chủ yếu của ngành dầu khí là sử dụng đƣờng ống dẫn sản phẩm. Ngoài ra các trữ lƣợng dầu ngày càng khan hiếm, ngành dầu khí Việt Nam phải thăm dò và khai thác những lô dầu khí ngày càng xa đất liền hơn, có chiều dài đƣờng ống hàng trăm km, đây là khối lƣợng xây lắp về đƣờng ống rất lớn h ng năm, chính vì điều đó với nghiên cứu này mở ra những lợi ích không nhỏ cho ngành dầu khí nếu có thể thiết kế và chế tạo những mô hình robot này vào xây lắp các dự án, công trình tiếp theo.
CHƢƠNG 2: TÍNH ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 2.1. CẤU TRÚC, BẬC TỰ DO CỦA ROBOT HÀN ỐNG DẪN DẦU KHÍ 2.1.1. Cấu trúc động học
Về mặt cơ học, ro ot hàn ống dẫn dầu khí là hệ nhiều vật, gọi là khâu, nối với nhau bởi các khớp tạo thành cấu trúc động học dạng cây. Trong đó khâu 1 của robot là xe mang cánh tay robot, có thể di động trên ệ gắn với giá cố định nhờ rãnh trƣợt, chuyển động đƣợc dẫn động bởi các động cơ. Tùy theo mục đích, yêu cầu công nghệ mà cánh tay của robot có thể có 3, 4, 5, 6 khâu. Hình 2.1 là mô hình robot hàn ống dẫn dầu khí gồm có 5 khâu động trong đó, khâu 0 là giá mang ro ot, khâu 1 của ro ot di chuyển theo đƣờng tròn vành ray dẫn gắn vào bề mặt ống trụ (xoay một góc ζ1). Khâu 2 tịnh tiến so với trục Z1 một đoạn d2,, khâu 3 xoay một góc ζ3 đối với khâu 2 so với trục Z2, khâu 4 xoay quanh trục Z3 một góc ζ4 để trục X3 trùng X4, Khâu 5 mang đầu hàn chuyển động tịnh tiến dọc theo trục Z4.
Hình 2.1: Mô hình robot hàn ống dẫn dầu khí
Cấu trúc động học của robot hàn ống dẫn dầu khí trên Hình 2.1 cho phép mũi hàn đạt đƣợc vị trí tùy ý và hƣớng hợp lý trong không gian làm việc, tuy hƣớng của mỏ hàn không phải là tùy ý nhƣng vẫn đảm ảo yêu cầu của kỹ thuật hàn. Trên (hình 2.2) sau đây mô tả sơ đồ động học của ro ot hàn ống dẫn dầu khí mà trong
Hình 2.2: Sơ đồ động học của robot hàn ống dẫn dầu khí 0. Giá 1. Khâu 1, khớp quay 1 2. Khâu 2, khớp tịnh tiến 2 3. Khâu 3, khớp quay 3 4. Khâu 4, khớp quay 4.
Khâu 5, khớp tịnh tiến 5(gắn ống chứa dây hàn) ζ1, ζ3, ζ4 - Chuyển động quay
a1, d2, d3, d4, - Chuyển động tinh tiến
2.1.2. Bậc tự do chuyển động của robot hàn ống dầu khí
Khả năng chuyển động của ro ot xác định khả năng của nó trong việc thực hiện các di chuyển độc lập khác nhau. Khả năng chuyển động của ro ot đƣợc đặc trƣng ởi số ậc tự do chuyển động của nó và phụ thuộc vào số khâu, khớp, cấu trúc của các khớp và cấu trúc của mạch động học của robot.
Với cấu trúc động học của ro ot nhƣ trên. Ta áp dụng công thức xác định số bậc tự do của robot là: 1 ( 1) ( ) g i c r i f n f f f - (2.1)
Trong đó:
f là số ậc tự do của ro ot
n là số khâu của ro ot ao gồm cả giá cố định
là số ậc tự do của không gian làm việc của ro ot (3, 6lần lƣợt tƣơng ứng với không gian hai chiều và a chiều).
i
f là số ậc tự do của khớp thứ i (khả năng chuyển động tƣơng đối giữa hai khâu nối ởi khớp thứ i).
g là tổng số khớp của cơ cấu.
c
f là số liên kết thừa.
r
f là số ậc tự do thừa.
Với ro ot hàn đƣợc khảo sát trong luận văn: n = 6; fi
= 1; i = 1 ÷ 4; g = 5; fc
= 0; fr
= 0 Vậy số ậc tự do của ro ot: f = (6 -1)*6 – 5*(6 - 1) + 0 - 0 = 5
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC 2.2.1. Các tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi thuần nhất 2.2.1. Các tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi thuần nhất
Phƣơng pháp phổ iến khi khảo sát động học ro ot là sử dụng các tọa độ thuần nhất và ma trận iến đổi tọa độ thuần nhất để mô tả vị trí hệ tọa độ của một khâu đối với khâu khác. Vị trí của hệ tọa độ khâu i đối với hệ tọa độ của khâu i-1
đƣợc xác định ởi các tọa độ ( ,x y zi i, )i của gốc hệ tọa độ và các góc quay ( , i i, )i (hình 2.4) Sử dụng các tọa độ thuần nhất: 1 T i i i i i R x y z (2.2) để xác định vị trí gốc Oitrong hệ tọa độ O x y zi1 i1 i1 i1 Ở đây là hệ số tỷ lệ, thƣờng chọn 1.
11 12 13 1 1 21 22 23 1 31 32 33 0 1 0 0 0 1 i i i i i i i i T i c c c x c c c y C r A c c c z (2.3)
Hình 2.3. Sơ đồ chuyển trục tọa độ
Ở đây 11 12 13 1 21 22 23 31 32 33 i i c c c C c c c c c c
là ma trận cosin chỉ hƣớng mô tả hƣớng của hệ tọa độ
i i i i
O x y z đối với hệ tọa độ O x y zi1 i1 i1 i1, còn véc tơ i 1 i 1 i 1 i 1 T