Tài liệu đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn hồ quang

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền LỜI NÓI ĐẦU Tính toán thiết kế robot – ME4281 là một học phần bắt buộc trong chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử của trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Với môn học này, sinh viên được hệ thống hóa lại kiến thức của bản thân, bao gồm nhiều môn học: Robotics, Chi tiết máy, Vẽ kỹ thuật, Lý thuyết điều khiển tự động,… Từ đó biết cách vận dụng những kiến thức đã biết để thực hiện một đề tài thực tế, đó là tính toán và thiết kế một cấu hình robot đáp ứng yêu cầu cụ thế. Thông qua việc học môn học này, sinh viên còn được học và sử dụng các phần mềm thiết kế 3D, kiểm nghiệm sức bền, điều khiển như: SolidWorks, Matlab,… Ở bài tiểu luận này, với đề tài là Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn hồ quang. Robot hàn hồ quang là một trong những ứng dụng điển hình của robot công nghiệp, với mục đích nâng cao năng suất lao động, đồng thời robot có thể làm việc ở những môi trường khó khăn-độc hại… Nhận thấy vai trò quan trọng của robot hàn hồ quang, chúng em đã tiến hành tìm hiểu, phân tích và lựa chọn kết cấu, từ đó tiến hành tính toán, thiết kế 3D, và xây dựng hệ thống điều khiển cho robot. Tuy đã làm việc với năng suất cao, nhưng bài tiểu luận không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, phê bình từ phía các thầy và các bạn để chúng em sửa chữa, khắc phục bài tiểu luận hoàn thiện hơn. Cuối cùng, chúng em xin trân thành cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong Bộ môn Cơ học ứng dụng, và đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy Phan Bùi Khôi và thầy Nguyễn Văn Quyền đã giúp chúng em rất nhiều trong việc thực hiện đề tài này. Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1 1 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền NỘI DUNG THỰC HIỆN Đề xuất dự án và thực hiện tính toán thiết kế mô hình robot ứng dụng trong hàn hồ quang. 1. Phân tích và lựa chọn cấu trúc 1.1. Phân tích mục đích ứng dụng của robot 1.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác a. Đối tượng thao tác, dạng thao tác b. Phân tích yêu cầu về vị trí c. Yêu cầu về hướng của khâu thao tác d. Yêu cầu về vận tốc, gia tốc khi thao tác e. Yêu cầu về không gian thao tác 1.3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật a. Số bậc tự do cần thiết b. Vùng làm việc có thể với tới của robot c. Yêu cầu về tải trọng 1.4. Các phương án thiết kế cấu trúc robot, cấu trúc các khâu khớp, phân tích lựa chọn phương án thực hiện 1.5. Thông số kỹ thuật: robot thiết kế, đối tượng và hệ thống thao tác 2. Thiết kế 3D mô hình robot 2.1. Thiết kế 3D 2.2. Lập bản vẽ 2D 2.3. Lập hồ sơ kỹ thuật 2.4 Xác định các thông số đặc trưng hình học-khối lượng 3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động 3.1. Khảo sát động học thuận, khảo sát động học ngược 3.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot theo mục đích ứng dụng 4. Phân tích trạng thái (tĩnh) yêu cầu lực/momen động cơ lớn nhất 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền 5. Tính toán động lực học 5.1. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot bằng các phương pháp đã học 5.2. Tính động lực học ngược theo quy luật chuyển động được khảo sát ở câu 3.c 6. Thiết kế hệ dẫn động robot 6.1. Thiết kế hệ dẫn động (cho một khớp) 6.2. Chọn động cơ phù hợp 6.3. Tính chọn hộp giảm tốc 6.4. Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền các khâu của robot 7. Thiết kế hệ thống điều khiển 7.1. Chọn luật điều khiển phù hợp, thiết kế mô hình điều khiển 7.2. Mô phỏng bằng Matlab 8. Hiệu chỉnh thiết kế 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền PHÂN CHIA CÔNG VIỆC STT 1 2        Nhiệm vụ Thiết kế mô hình 3D Thiết kế hệ dẫn động Thiết kế hệ thống điều khiển Phân tích và lựa chọn kết cấu Thiết kế quỹ đạo chuyển động Phân tích trạng thái tĩnh Tính toán động lực học Đánh giá 100% 100% 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................................... 1 NỘI DUNG THỰC HIỆN.......................................................................................................2 PHÂN CHIA CÔNG VIỆC.....................................................................................................4 Chương 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU............................................................7 1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot...............................................................................7 1.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác...............................................................................8 1.3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật..................................................................................16 1.4. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế.........................................................................17 1.5. Thông số kỹ thuật........................................................................................................18 Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D...................................................................................20 2.1. Mô hình 3D của robot.................................................................................................20 2.2. Không gian làm việc của robot....................................................................................21 2.3. Bản vẽ 2D của robot....................................................................................................22 Chương 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG..........................................................24 2.1. Khảo sát động học thuận.............................................................................................24 2.2. Khảo sát động học ngược............................................................................................26 2.3. Thiết kế quỹ đạo chuyển động.....................................................................................28 Chương 4: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TĨNH.....................................................................32 Chương 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC.........................................................................37 Chương 6: THIẾT KẾ HỆ DẪN ĐỘNG...............................................................................41 6.1. Thiết kế hệ dẫn động...................................................................................................41 6.2. Chọn động cơ phù hợp................................................................................................47 6.3. Tính chọn hộp giảm tốc...............................................................................................48 6.4. Thiết kế 3D và kiểm nghiệm bền.................................................................................50 Chương 7: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN...............................................................60 7.1. Chọn luật điều khiển...................................................................................................60 7.2. Thiết kế mô hình điều khiển........................................................................................63 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền 7.3. Mô phỏng chuyển động hàn của Robot.......................................................................67 PHỤ LỤC.............................................................................................................................. 68 KẾT LUẬN........................................................................................................................... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................76 6 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Chương 1: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC 1.1. Phân tích mục đích ứng dụng robot Robot hàn hồ quang có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực của đời sống, cũng như trong các ngành công nghiệp. Việc hàn bằng robot có thể đạt độ chính xác và năng suất cao. Khi được lập trình hợp lý, các robot hàn sẽ tạo ra những mối hàn giống như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách. Hơn nữa, chuyển động của mỏ hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại. Quá trình hàn được tự động hóa còn giúp con người tránh khỏi các tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy khí độc. Ống là chi tiết thông dụng trong công nghiệp, các mối ghép ống hiện nay chủ yếu dùng phương pháp hàn. Ở bài tiểu luận này, nhóm tiến hành tính toán thiết kế robot với nhiệm vụ hàn hai ống thẳng cùng kích thước với nhau. Có thể kể đến một vài ứng dụng của robot hàn ống như hàn ống dẫn nước, ống dẫn khí, ống dẫn dầu; hàn các hệ thống khung đỡ, lan can… Dưới đây là hình ảnh minh họa kết quả làm việc của robot: Hình 1.1. Minh họa kết quả làm việc của robot 7 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền 1.2. Phân tích yêu cầu kỹ thuật thao tác Với kỹ thuật hàn hồ quang tay: a, Kỹ thuật hàn ống Hàn ống là một trong các kỹ thuật hàn khó, yêu cầu chất lượng mối hàn khắt khe hơn so với các kỹ thuật hàn khác. Mối hàn phải đạt độ ngấu cao, không có khuyết tật và hồ quang cũng không được chảy rỉ vào bên trong ống. Thường sử dụng các loại que hàn có lớp thuốc bọc kiểu cellulose, đường kính nhỏ hơn 4mm. Đường hàn đáy nên hàn theo hướng từ trên xuống. Đường hàn lót cần sử dụng dòng điện lớn để nung chảy các khuyết tật đường hàn đáy. Dao động ngang nên dùng các kiểu đường thẳng, răng cưa, bán nguyệt. Hình 1.2. Góc độ que khi hàn đáy có lớp lót Hàn ống có yêu cầu về hướng thao tác, đó là mỏ hàn phải tạo với đường cong một góc o xác định, khoảng 60 . 8 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Trong quá trình hàn, đầu mỏ hàn thực hiện chuyển động đồng thời, có thể theo một trong các dạng dưới đây: Hình 1.3. Chuyển động của đầu mỏ hàn Như vậy, khi hàn ống đẩu mỏ hàn vừa thực hiện chuyển động theo biên dạng đường hàn, vừa thực hiện chuyển động lắc lư (kiểu chữ C như Hình 1.4) để mối hàn chắc chắn hơn. Hình 1.4. Mô tả dao động ngang của đầu mỏ hàn b, Vật liệu và thiết bị 9 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Chuẩn bị mẫu ống để hàn, được cắt và tạo hình theo kích thước cho trước. Que hàn: que hàn có đường kính phù hợp với liên kết hàn, được sấy và bảo quản theo 0 0 quy trình nhất định. Sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 300 trong 2 giờ, bảo quản ở nhiệt độ 150 , trong quá trình hàn được bảo quản trong phích sấy di động và được sử dụng trong vòng 4 giờ. Hàn lót: E7016 Ø2,4mm+. Hàn các lớp trung gian, lớp phủ E7016 Ø3,2mm. Nguồn hàn: máy hàn DC. Dụng cụ làm việc: búa gõ xỉ, bàn chải sắt, máy mài… Dụng cụ bảo hộ: đồ bảo hộ, yếm da, găng tay da… c, Các bước thực hiện hàn ống Bước 1: Chuẩn bị phôi hàn Hình 1.5. Đặc điểm của mối ghép tiêu chuẩn Vệ sinh: mài bề mặt góc vát, mép cùn. Mài bề mặt của mẫu hàn (tính từ mép ra 30-40 mm). Chuẩn bị máy hàn Kiểm tra lại toàn bộ hệ thống máy hàn bao gồm mỏ hàn, khí, điện áp để chuẩn bị hàn. Nên hàn thử ra một phôi hỏng nào đó để điều chỉnh dòng điện hàn cho hợp lý. 10 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Thường với ống sắt dày thì dòng điện khoảng 100-150 V là hợp lý. Có thể nhỏ hoặc to hơn tùy kích thước ống, vì dòng điện tùy thuộc vào phương pháp hàn cũng như vật liệu hàn. Nếu ống lớn hơn thì khoảng cách giữa 2 đoạn ống cần hàn sẽ lớn hơn. Do vậy ta phải dùng que hàn bủ loại lớn hơn (từ 4-5 mm), do vậy dòng điện hàn cũng phải lớn hơn để làm chảy que hàn bù một cách đều đặn. Bước 2: Hàn đính Đặt một ống lên bàn gá, hướng mép vát lên trên, dùng căn khe hở bằng một lõi que hàn uốn cong hình chữ U, đặt tiếp ống còn lại lên trên, mép vát được ghép lại với nhau thành rãnh hàn. Bảo đảm độ lệch mép của hai ống tối đa là 1,6mm. Hàn các mối hàn đính đối xứng nhau qua tâm ống có chiều dài từ 10 - 15mm. Mối hàn đính phải có độ ngấu tốt vào chân và thấu vào trong của mối ghép 1,6mm. Có thể di chuyển căn đệm khe hở thích hợp để khi hàn đính không bị co lệch khe hở. Mối 0 hàn đính thứ ba và thứ tư vuông góc 90 từ các mối hàn đính một và hai. Mài các mối hàn đính. Đòi hỏi mài tốt đúng yêu cầu kỹ thuật, khi đó các mối hàn sẽ đạt được chất lượng về độ ngấu. Hình 1.6a. Yêu cầu đối với hàn đính Có thể làm đồ gá là một thanh ray chữ nhật, làm theo kích cỡ của ống sao cho nó bóp sát lấy thân ống. Sau đó đặt 2 đoạn ống vào trong ray, để khoảng cách hợp lý tầm 2mm giữa 2 ống. Sau đó tra que bù vào và đính mối hàn. Mối đính là 4 mối trong một lần hàn. Các mối đính phải đối diện nhau. 11 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Hình 1.6b. Yêu cầu đối với hàn đính Bước 3: Hàn lớp hàn lót o Kẹp mẫu hàn cố định ở vị trí 45 so với mặt đất cùng với các mối đính đã được xác định ở 1, 4, 7 và 10 giờ (theo vị trí kim đồng hồ) như hình vẽ: Hình 1.7a. Tiến hành hàn lớp lót Với những thợ hàn giỏi thường bắt đầu hàn từ vị trí 6h30 và kết thúc đường hàn ở vị o o trí 4h. Chú ý que hàn tạo với phương pháp tuyến một góc 5  10 . 12 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Hình 1.7b. Tiến hành hàn lớp lót Mối hàn hồ quang bên trong rãnh hàn. Giữ cho hồ quang cháy đều và khoảng cách hồ quang bằng hai lần đường kính que hàn, với sự dịch chuyển, dao đọng đầu que hàn hơi dích dắc (theo kiểu răng cưa hoặc bán nguyệt) và cung cấp đủ nhiệt tới mép cùn. Các bước di chuyển hơi xuyên ngang để giữ cho kim loại và xỉ hàn không bị chảy xệ xuống, vì mẫu hàn ở o tư thế xiên 45 . Khi hàn lót, tay phải thật đều, đồng thới tay còn lại phải tra que bù một cách đều đặn và hợp lý. Quá trình hàn lót chạy theo chiều kim đồng hồ. Khi hàn nhớ điều chỉnh cân đối giữa tay hàn, vị trí người và vị trí que bù sao cho phù hợp nhất, thoải mái nhất. Chú ý: Cố gắng tạo một lỗ hình lỗ khoá ở đầu trên của bể hàn rộng hơn đường kính que hàn một chút để tạo điều kiện thuận lợi cho kim loại hàn xuyên thấu hoàn toàn và bám đều hai bên mép của rãnh hàn. Sau đó dừng chiều dài hồ quang bằng khoảng 0.8 mm từ cạnh sắc của mép cùn và bắt đầu chuyển dịch nhẹ nhàng. Hình 1.7c. Tạo lỗ khóa trên đầu mối hàn lót 13 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Với những ống có khe hở lớn thì nên dùng phương pháp hàn lót nhiều lần chồng lên nhau. Hàn xong lớp hàn phủ thứ nhất, vệ sinh sạch mối hàn, đảm bảo rãnh đủ chiều rộng để thoát xỉ khi hàn. Tiếp tục chia bề mặt mối hàn vừa xong ra làm 3 phần và hàn phủ lên 1/3 đường hàn trước. Trong hàn lót, tuyệt đối không để hồ quang đóng cục và sùi vào bên trong của ống. Đó là mối hàn lót lỗi và sản phẩm sẽ không được chấp nhận. Bước 4: Hàn phủ lớp ngoài cùng Sau khi hàn lót xong khâu cuối cùng của hàn là hàn phủ lớp cuối ra ngoài. Sau đó tiến hành mài để làm sạch lại mối hàn. Hàn phủ có hai cách chính là hàn TIG và hàn MIG. Với những ống có đường kính nhỏ dưới Ø100 thì dùng hàn TIG để hàn phủ lớp cuối. Yêu cầu bề mặt mối hàn cao đều, lồi hình cung. Chân mối hàn thẳng đều, không khuyết cạnh, cháy chân. Với yêu cầu bài toán đặt ra: Nhiệm vụ của robot là hàn nối 2 ống thẳng có cùng đường kính D=400 mm, với kết quả thu được tương tự Hình 1.1. Tương ứng với bước 3 trong kỹ thuật hàn hồ quang tay (hàn lớp hàn lót), tức là 2 ống đã được hàn đính với nhau. Hai ống được gá cố định trên bàn máy (được minh họa như Hình 1.8). Robot sẽ hàn theo biên dạng đường tròn, đồng thời chi tiết sẽ thực hiện chuyển động xoay quanh trục, để việc hàn được hoàn tất. 14 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Hình 1.8. Mô tả hệ thống gá đặt chi tiết Quỹ đạo hàn là ½ đường tròn đường kính D=400 mm, xuất phát từ đỉểm phía trên A, kết thúc tại điểm phía dưới B. Hình 1.9. Yêu cầu bài toán đặt ra cho robot 15 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền 1.3. Xác định các đặc trưng kỹ thuật Bậc tự do là thông số độc lập cần thiết để xác định vị trí của cơ cấu, cũng là số khả năng chuyển động tương đối độc lập của một cơ cấu đó (chuyển động quay hoặc chuyển w 6.n  động tịnh tiến). Công thức tính số bậc tự do của một cơ cấu như sau: 5  i. p i i 1 Trong đó: - n là số khâu động - pi là số khớp loại i ( i 1,5 ) Xác định số bậc tự do cần thiết: Quỹ đạo hàn là đường cong trong mặt phẳng. Để xác định tọa độ một điểm bất kỳ trong mặt phẳng sẽ cần ít nhất 2 bậc tự do, có thể là 2 tịnh tiến theo phương x và y, 2 quay, hoặc 1 tịnh tiến và 1 quay. Đồng thời, robot có yêu cầu độ chính xác về hướng, sẽ cần thêm ít nhất 1 bậc tự do để xác định hướng (thường là bậc tự do quay). Vì thế với yêu cầu bài toán, robot cần tối thiểu 3 bậc tự do. 16 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền 1.4. Phân tích lựa chọn phương án thiết kế Dưới đây là một số phương án thiết kế cấu trúc robot do nhóm đề xuất: TTTR RRTR RRRR Các phương án 4 bậc tự do giúp miền làm việc của robot lớn hơn. Phương án TTTR cho miền làm việc dạng khối hộp, phương án RRRR cho miền làm việc dạng hình cầu, phương án RRTR cho miền làm việc dạng hình trụ rỗng. Đồng thời, do miền làm việc trong không gian nên không yêu cầu độ chính xác vị trí tương quan robot và đối tượng. TTR TRR RRR Các phương án 3 bậc tự do yêu cầu độ chính vị trí tương quan robot và đối tượng, kết cấu robot đơn giản hơn. Đặc biệt cấu hình RRR, tất cả các khớp quay cho phép robot hoạt động linh hoạt. Dựa vào yêu cầu đặt ra, quỹ đạo chuyển động là đường cong trong mặt phẳng, có xác định hướng, kết hợp với ưu nhược điểm của các phương án, nhóm đã quyết định lựa chọn phương án RRR cho bài toán thiết kế robot, ba bậc tự do đều chuyển động quay. 17 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền 1.5. Thông số kỹ thuật Mô hình hóa robot: y0 2 x1 y1 q2 y2 q3 3 1 q1 y3 Trên mặt phẳng Trong không gian x2 x3 x0 Vị trí của tương quan robot và đối tượng trong hệ thống: B k3 Lin 2 1 Link Lin k A  10 0 Ø400 mm 800 mm 18 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Trong đó khâu thứ 3 luôn tạo với đường thẳng đi qua tâm một góc  100 Bảng thông số các khâu Khâu 1 2 3 Chiều dài khâu 650 mm 600 mm 150 mm Khối lượng 8.7 kg 2.5 kg 0.5 kg Vật liệu Giới hạn khớp: Khớ p 1 2 3 Giới hạn Tốc độ 0 ÷ 2ᴨ/3 -ᴨ/2 ÷ ᴨ/2 -3ᴨ/4 ÷ 3ᴨ/4 1 m/s 2 m/s 2 m/s 19 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ROBOT GVHD: PGs. Phan Bùi Khôi – Ths. Nguyễn Văn Quyền Chương 2: THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D 2.1. Mô hình 3D của robot Mô hình 3D của robot được thiết kế trên phần mềm SolidWorks như sau: Hình 2.1. Mô hình 3D trong môi trường SolidWorks 20