Link xem tivi trực tuyến nhanh nhất xem tivi trực tuyến nhanh nhất xem phim mới 2023 hay nhất xem phim chiếu rạp mới nhất phim chiếu rạp mới xem phim chiếu rạp xem phim lẻ hay 2022, 2023 xem phim lẻ hay xem phim hay nhất trang xem phim hay xem phim hay nhất phim mới hay xem phim mới link phim mới

intTypePromotion=1
ADSENSE

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu robot hàn - cắt gia công đường ống dẫn dầu, khí

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

20
lượt xem
3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đê tài "Nghiên cứu robot hàn - cắt gia công đường ống dẫn dầu, khí" có cấu trúc gồm 3 chương trình bày tổng quan về công nghệ hàn và hàn hồ quang; mô tả cấu trúc robot hàn ống, lý thuyết khảo sát động học động lực học robot, khảo sát động học động lực học robot. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu robot hàn - cắt gia công đường ống dẫn dầu, khí

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- Họ và tên : Dương Quốc Khánh ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, ROBOT HÀN – CẮT GIA CÔNG ĐƯỜNG ỐNG DẪN DẦU, KHÍ Chuyên ngành : Cơ điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. PGS.TS Phan Bùi Khôi 2. Hà Nội – Năm 2011
  2. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn: “Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt robot gia công đường ống dẫn dầu, khí ” là do tôi tự khảo sát, nghiên cứu và thiết kế, hoàn toàn không có sự sao chép của các luận văn khác. Bản luận văn này hoàn thành nhờ sự hướng dẫn hết sức tận tình của thầy giáo PGS.TS Phan Bùi Khôi và sự chia sẻ đóng góp ý kiến của các thầy cô trong Bộ môn và các bạn bè đồng nghiệp. Trong quá trình khảo sát, nghiên cứu và thiết kế tôi đã sử dụng một số tài liệu đã ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và tài liệ u của Bộ môn mà không sử dụng hoặc sao chép ở các tài liệu khác. Học viên Dương Quốc Khánh Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  1
  3. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan 1 Mở đầu 4 Chương 1: Tổng quan về đề tài 5 1.1 Tổng quan về công nghệ hàn và hàn hồ quang. 5 1.2 Hàn tự động trong công nghiệp và robot hàn 10 1.3 Ứng dụng robot trong thi công hàn 12 Chương 2: Mô tả cấu trúc robot hàn ống, lý thuyết khảo sát động học động lực học robot 13 2.1.Cấu trúc và sơ đồ động học 13 2.2. Khảo sát động học robot 24 2.3 Động lực học robot 26 2.4 Bài toán lập trình quĩ đạo 27 Chương 3: Khảo sát động học động lực học robot 28 3.1.Kết quả khảo sát động học 28 3.2.Động lực học robot hàn ống 30 3.3 Khảo sát vị trí robot hàn ống 43 3.4.Mô phỏng hoạt động robot 76 Chương 4: Thiết kế robot 77 4.1.Thiết kế các khâu robot 77 4.2.Qui trình công nghệ gia công 1 khâu robot 80 Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  2
  4. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh 4.3.Kiểm nghiệm đồ bền bằng phần mềm Cosmos Work 81 Tài liệu tham khảo 82 Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  3
  5. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh MỞ ĐẦU Công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền sản xuất đang là một xu hướng tất yếu của nền văn minh hiện đại. Vấn đề cấp bách hiện nay, ngoài việc sự tăng năng suất của quá trình sản xuất là giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, nhàm chán của công việc (do sự lặp đi lặp lại các thao tác của một công việc đơn giản), sự nguy hiểm của môi trường lao động như sự nóng bức tại các lò hơi, sự ô nhiễm bụi bặm của các hầm lò, sự nguy hiểm ở dưới đáy đại dương và trên vũ trụ… Để có thể khắc phục được những vấn đề vừa nêu, các công ty trong nước phát triển đã đưa các robot vào các dây chuyền sản xuất. Trong đó trong lĩnh vực hàn robot được ứng dụng khá rộng rãi Hàn tự động có độ chính xác và năng suất cao. Một khi được lập trình hợp lý các robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và cùng qui cách. Trong vận tải đường ống, các ống cỡ lớn thường sử dụng robot tự hành dẫn hướng bằng ray, đây là robot chuyên dụng cho hàn ống với khả năng tự hành. Với việc di chuyển linh hoạt trên không gian lớn bởi đường ray quanh ống, robot có thể thay người làm việc trên không gian thao tác chênh vênh với độ chính xác và năng suất cao hơn hẳn. Nhằm có thể đưa loại hình robot này vào chế tạo sản xuất, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Phan Bùi Khôi, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí”. Hướng nghiên cứu của đề tài là bước đầu tiên phân tích yêu cầu làm việc để tính toán và thiết kế robot. Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  4
  6. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Tổng quan về công nghệ hàn và hàn hồ quang. Hàn là phương pháp rẻ tiền và hiệu quả nhất để nối cứng 2 chi tiết kim loại với nhau. Một mối hàn được tạo ra bằng cách đốt nóng kim loại tới điểm nóng chảy trong đó có hoặc không dùng lực tác dụng và kim loại điền đầy. Có nhiều quá trình hàn khác nhau, sử dụng nhiều loại nguồn nhiệt khác nhau. Hai phương pháp hàn chính là hàn hồ quang và hàn điểm (hàn đối kháng) Hàn được coi là khâu phức tạp nhất trong các quá trình chế tạo. Để tự động hóa quá trình hàn cần phải hiểu nguyên lý khoa học đằng sau nó. Hàn hồ quang Hàn hồ quang là phương pháp nối hai miếng kim loại bằng cách làm nóng chảy chúng hoặc một dây kim loại trung gian, nhiệt sinh ra từ một hồ quang điện giữa các vật hàn và đầu que hàn. Qúa trình hàn có thể cần hoặc không cần kim loại điền đầy. Điện cực có thể là dây kim loại tự tiêu hoặc que các-bon hay que tăng-xtan không tự tiêu. Khi dùng điện cực không tự tiêu, kim loại điền đầy có thể lấy từ một dây kim loại phụ. Còn điện cực tự tiêu vừa mang dòng điện hàn, vừa nóng chảy và điền đầy kim loại vào mối hàn. Hình 1- 1. Hàn hồ quang Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  5
  7. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh Che chắn hồ quang Một trong những vấn đề chính trong quá trình hàn là khi kim loại nóng lên, chúng sẽ tương tác hóa học với không khí. Có nhiều phương pháp cách ly vật hàn khỏi không khí xung quanh. Nếu dùng khí trơ thì quá trình hàn gọi là hàn hồ quang khí trơ. Hàn hồ quang lõi thuốc giống như hàn hồ quang khí trơ, chỉ khác ở điện cực. Kỹ thuật hàn này dùng để nối các miếng kim loại dày, như ở các bình cao áp, ống cống, ống gas. Hàn hồ quang tăng-xtan khí trơ và hàn hồ quang plasma cũng là những kỹ thuật hàn được dùng phổ biến. Mạch hàn cơ bản Hồ quang được tạo ra giữa khe hở khi chạm điện cực vào vật hàn rồi nhấc ra nhưng vẫn giữ tiếp xúc gần. Hồ quang sinh ra nhiệt độ khoảng 3600oC tại đầu que hàn. Nhiệt này làm nóng chảy cả kim loại nền và điện cực, tạo ra một vũng kim loại nóng chảy, nó đông cứng sau khi điện cực di chuyển tới vị trí tiếp theo dọc mối hàn. Hình 1-2. Mạch hàn cơ bản Các tham số của quá trình hàn hồ quang khí trơ Trong các quá trình hàn hồ quang, có một số tham số ảnh hưởng tới kích thước, hình dạng, chất lượng và độ bền của mối hàn. Các tham số chính gồm: Dòng điện hàn, điện áp hồ quang, tốc độ di chuyển điện cực Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  6
  8. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh Các tham số phụ gồm: Góc giữa điện cực và vật hàn, góc giữa các vật hàn, độ dày của lớp thuốc, độ dài của hồ quang. Kích thước và kiểu điện cực trong hàn hồ quang kim loại có cách ly xác định các yêu cầu về điện áp hồ quang và cường độ dòng điện. Dòng điện có thể là một chiều hoặc xoay chiều, nhưng nguồn điện phải có thể thay đổi điện áp, cường độ để phản ứng với các biến phức tạp của chính quá trình hàn. Ở cường độ thấp, dòng một chiều hiệu quả hơn nên dùng để hàn các tấm kim loại mỏng. Hầu hết các điện cực có lớp thuốc hoạt động tốt nhất với dương cực (phân cực ngược), cho khả năng xuyên sâu nhất. Trong khi đó âm cực lại tạo ra tố c độ nóng chảy cao hơn. - Cường độ dòng điện Cách xác định cường độ hợp lý cho một điện cực nhất định tùy thuộc vào kích thước và kiểu điện cực đó. Thậm chí còn phải tính đến kiểu nối và vị trí mối hàn. Qúa trình đòi hỏi cường độ dòng điện đủ lớn để làm chảy cả điện cực và một lượng vừ a đủ lớp kim loại nền. Cường độ càng lớn, thì độ xuyên thấu càng sâu. Cường độ cao có thể dẫn tới các vấn đề như quá nhiều vẩy hàn, quá nhiệt hoặc nứt gãy điện cực. - Điện áp hồ quang Điện áp hồ quang thay đổi ít hơn so với dòng điện hàn. Nó ảnh hưởng tới hình dạng và độ rộng của ngọn lửa hồ quang. Điện áp càng cao thì ngọn lửa hồ quang càng rộng và dẹt. Phải tránh điện áp quá cao vì nó gây ra nứt gãy. Điện áp thấp sinh ra hồ quang hẹp hơn, xuyên sâu hơn. - Tốc độ di chuyển Tốc độ di chuyển điện cực dọc mối hàn có ảnh hưởng trực tiếp tới hình dạng ngọn lửa hồ quang, độ sâu nóng chảy, tính thẩm mỹ (bề mặt), và sức nóng truyền vào kim loại nền. Tốc độ di chuyển nhanh tạo ra đường hàn hẹp hơn nhưng ít sâu hơn. Cách này thích hợp để hàn các tấm kim loại. Tốc độ di chuyển cũng ảnh hưởng tới sức nóng, do vậy ảnh hưởng tới cấu trúc luyện kim của kim loại. Tốc độ làm nguội tăng Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  7
  9. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh hay giảm phải tỷ lệ với tốc độ di chuyển. Ngoài ra, vùng chịu nhiệt sẽ tăng kích thước trong khi tốc độ nguội giảm. Tốc độ di chuyển và làm nguội quá nhanh dẫn tới xu hướng làm xốp vì mối hàn đông cứng nhanh hơn. - Độ dài hồ quang Độ dài hồ quang là khoảng cách từ đầu nóng chảy của lõi điện cực tới vũng hàn nóng chảy. Nói chung, độ dài này tăng khi kích thước điện cực và cường độ dòng điện hàn tăng. Độ dài hồ quang thường được giới hạn bằng đường kính lõi điện cực. 1.2. Hàn tự động trong công nghiệp và robot hàn 1.2.1. Hàn tự động trong quá trình công nghiệp. Trong công nghiệp các nguyên công hàn ứng dụng robot rất phổ biến trong các ngành công nghiệp như ôtô – xe máy, máy bay, đóng tàu biển, các ngành công nghiệp liên quan đến vận tải đường ống như dầu khí, hóa chất… Sản phẩm phù hợp nhất để ứng dụng robot hàn thường hội tụ các đặc điểm: - Độ phức tạp về mặt tạo hình; - Tính chính xác và chính xác lặp lại cao; - Sản phẩm loạt lớn, hàng khối; - Các sản phẩm có khuynh hướng không mô tả tạo hình bằng bản vẽ truyền thống, tạo hình thông qua liên kết CAD/CAM, mô tả hình học bằng file NC code thông qua nội suy trên mô hình toán; - Các sản phẩm gia công trong môi trường nóng, ẩm, độc hại, áp suất cao; Thiết bị hàn hồ quang tự động khác hẳn thiết bị hàn tay. Hàn hồ quang tự động thường có chu kỳ làm việc cao và yêu cầu các thiết bị hàn phải hoạt động dưới những điều kiện khắc nghiệt. Ngoài ra mỗi thành phần của hệ thống phải có đủ tính năng và điều khiển để giao tiếp với hệ điều khiển trung tâm. Các thiế t bị trong hàn tự động bao gồm • Robot hàn hồ quang • Nguồn điện (máy hàn) Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  8
  10. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh • Súng hàn • Bộ làm sạch súng hàn: đầu súng hàn gần hồ quang và dần dần dính vẩy hàn, cần phải làm sạch. • Bộ cấp điện cực: để bù lại dây điện cực tiêu hao khi hàn. • Đồ gá hàn và tay hàn giữ và định vị các chi tiết để đảm bảo mối hàn sẽ được robot thực hiện chính xác. • Bộ định tâm: để đảm bảo que hàn và khung hàn biết vị trí của nhau, cầ n phải liên tục hiệu chỉnh trọng tâm của hệ thống. Qúa trình này được thực hiện nhờ một thiết bị định tâm tự động. 1.2.2. Robot hàn hồ quang Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay có khớp hoặc xoay. Loại robot trục Đề-các chỉ được dùng cho các robot rất lớn hoặc rất nhỏ. Cánh tay robot được sử dụng nhiều do nó cho phép súng hàn chuyển động như cách con người thao tác. Góc súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở mọi vị trí, nhất là ở những vị trí khó tiếp cận. Cánh tay robot cũng gọn nhẹ nhất và có tầm với lớn nhất. Thường các robot hàn có 5-6 trục tự do, lập trình được. Các cánh tay robot do nhiều nhà cung cấp bán sẵn như ABB, FANUC, PANASONIC, KUKA, MOTOMAN Như các thiết bị công nghệ khác, đặc tính kỹ thuật là thông số quan trọng để lựa chọn, khai thác và vận hành thiết bị. Robot hàn là một thiết bị cơ điệ n tử điển hình, các đặc tính của nó bao gồm nhiều thông số thuộc các chuyên Hình 2 – 9. Robot Almega môn khác nhau. Kĩ sư thiết kế robot sẽ cung cấp các thông tin sau: - Bậc tự do; - Sơ đồ động học; - Tầm với max, min; - Tốc độ di chuyển cực đại theo các phương của hệ quy chiếu cơ sở; - Giới hạn chuyển động của từng khớp trên cánh tay; Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  9
  11. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh Kỹ sư công nghệ hàn là người sử dụng robot cần quyết định chế độ công nghệ gồm các thông tin sau để điều chỉnh máy: - Vh tốc độ hàn; - Kp Hệ số đắp; - Ih Cường độ dòng hàn; - ψ hệ số tổn thất que hàn; - Fht lượng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đường hàn; - γ Tỉ khối kim loại hàn; - Ih Cường độ dòng hàn; - Tốc độ chạy dây; - Vận tốc di chuyển mỏ hàn; - Lưu lượng khí bảo vệ; - Khoảng cách từ mỏ hàn đến bề mặt gia công. 1.3. Ứng dụng robot trong thi công hàn - cắt ống dẫn dầu khí Thuật ngữ ống ở đây được hiểu là một vật thể có profil mặt cắt ngang kín, rỗng phía trong, thông thường ống là các chi tiết thành mỏng. Mối ghép hàn các chi tiết dạng ống thường gặp nhất trong các lĩnh vực như vận tải chất lỏng hoặc chất khí áp lực cao, kết cấu khung xe hơi hoặc xe máy, ống dẫn lưu chất áp lực thông thường song có kích thước lớn. Hàn ống có đặc điểm quỹ đạo là đường cong ghềnh trong không gian, vật hàn cần chuẩn bị tạo hình sơ bộ cho phù hợp khi tiếp xúc. Vì vậy cùng một quỹ đạo giao tuyến giữa hai vật hàn, trước khi hàn robot sử dụng mỏ cắt để cắt rời các phần thừa, tạo hình phần tiếp xúc trên vật hàn trước khi chạy lặp lại quỹ đạo đó thực hiện quá trình hàn ghép cứng hai vật. Mối ghép ống bằng phương pháp hàn là dạng mối ghép có nhiều đặc điểm nên ứng dụng robot như đã nhắc tới ở phần đầu chương vì: - Giao tuyến phức tạp; Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  10
  12. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh - Yêu cầu độ chính xác cao; - Yêu cầu tuổi bền cao. 1.3.1. Công nghệ vận tải đường ống trong dầu khí Sản phẩm của nghành dầu khí thường dưới dạng chất lỏng hoặc khí với đặc điểm khai thác trên biển không thuận tiện cho việc chuyên chở bằng tàu thuyền, hình thức vận tải chủ yếu của nghành dầu khí là sử dụng đường ống. Vận tải đường ống cho giá thành rẻ, ít phải bảo trì cũng như lượng 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, thường chế tạo bằng thép trong khoảng 150 – 500 mm hoặc hơn nữa. Do áp lực trong lòng ống lớn để vận chuyển trên khoảng cách xa, mặt khác chịu các tác động ngẫu nhiên từ môi trường nên độ bền của mối ghép là vấn đề quan tâm hàng đầu. Ở khía cạnh này, ống dẫn thường không ghép bằng ren, do chúng có kích thước lớn, mặt khác độ bền và độ kín khít của mối ghép đạt được với chi phí lớn hơn nhiều so với mối ghép bằng hàn. Đặc biệt với kích thước lớn, việc thi công lại diễn ra trên biển, mối ghép ren không phải là lựa chọn trong trường hợp thiếu thiết bị hỗ trợ chuyên dùng. 1.3.2 Định hướng của luận văn Trong vận tải đường ống, các ống cỡ lớn thường sử dụng robot tự hành dẫn hướng bằng ray, đây là robot chuyên dụng cho hàn ống với khả năng tự hành giới hạn. Hiện nay ở Việt Nam robot loại này có ứng dụng tại Petrolimex, tuy nhiên chưa có nhà cung cấp chính thức tại Việt Nam. Nhằm đáp ứng nhu cầu về sử dụng robot này trong thời gian tới, tác giả luận văn lựa chọn đề tài “tính toán thiết kế robot hàn – cắt đường ống dầu khí”. Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  11
  13. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh Luận văn này tập trung phân tích các yêu cầu về kỹ thuật đặt ra với robot hàn ống cỡ lớn, phân tích động học và động lực học robot, sau đó dựa trên các tính toán để thiết kế sơ bộ cấu trúc robot, mô phỏng thử nghiệm robot trên phần mềm Visual C++6 và thư viện đồ họa Open GL. Thực tế cho thấy, nhu cầu về sản xuất và sử dụng robot trong nước đang hàng ngày tăng lên, các kênh chính thức về chuyển giao công nghệ, mua bán thiết bị đã hình thành trong khi nhân lực được đào tạo và các nghiên cứu khoa học trong nước hiện nay có thể không theo kịp thực tế. Trong nỗ lực chung nhằm bắt kịp với trình độ robot của khu vực và thế giới luận văn này chọn giải quyết các vấn đề thực tế đặt ra về robot hàn đường ống cỡ lớn, những nghiên cứu này hướng tới đón đầu sự phát triển thị trường vận tải đường ống của ngành dầu khí Việt Nam tương lai. Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  12
  14. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh Chương 2 MÔ TẢ CẤU TRÚC ROBOT HÀN ỐNG LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 2.1. Cấu trúc và sơ đồ động học Trong quá trình hàn ống, vì vật hàn có khối lượng và kích thước lớn nên sẽ là tối ưu nếu các chuyển động tương đối trong quá trình gia công do robot thực hiện (vật hàn đứng yên) Phần định hướng mỏ hàn, do mỏ hàn có cấu tạo uốn cong đặc biệt trong khi hàn để ổn định chất lượng mối hàn và luôn hướng phần kim loại nóng chảy vào mối ghép tốt nhất, trục mỏ hàn là phân giác ngoài của cạnh phôi, trong đường kéo dài của trục mỏ hàn cần xuyên tâm ở tất cả các vị trí. Như vậy từ yêu cầu định vị và định hướng mỏ hàn, cần 6 bậc tự do tương đối giữa mũi hàn và điểm hàn. Yêu cầu về không gian làm việc lớn, cần một bậc tự do tự hành độc lập của robot để di chuyển toàn bộ robot đến miền làm việc mới. Như vậy cần cơ cấu tự hành gắn ở đế (khâu 0) của robot. Trên cơ sở phân tích các chuyển động cần thiết như trên có thể thấy robot cần có 6 bậc tự do, ngoài ra cần một bậc tự do tịnh tiến ở giá dẫn hướng trên ray thay vì cố định. 2.1.1. Nguyên lý cấu trúc robot hàn Các thành phần cơ bản của robot hàn bao gồm tay máy và dụng cụ thao tác Tay máy là cánh tay robot, bao gồm các đoạn được gán khớp với nhau, có khả năng chuyển động theo nhiều hướng khác nhau, cho phép robot làm việc. Khâu thao tác, gán cố định trên tay máy thực hiện công việc Cổ tay phải có khả năng làm bàn tay tiếp cận 1 điểm trong không gian theo 1 hướng đặc biệt bởi 3 chuyển động: Pitch (Chuyển động lên xuống), Yaw (chuyển động trái qua phải) và Roll (Tự quay). Các khớp Roll, Pitch, Yaw được gọi là các trục định hướng. Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  13
  15. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh Như vậy 3 khâu cuối của tay máy phải được thiết kế để có thể dụng cụ có thể thực hiện được 3 chuyển động này của khâu thao tác. Đây là 3 chuyển động Độc lập tuyến tính Phần thân robot phải có khả năng đưa cổ tay đến các vị trí trong không gian, như vậy phải thực hiện được 3 chuyển động theo trục X, Y, Z trong hệ tọa độ cố định - Trục X: hướng di chuyển tay máy từ sau ra trước - Trục Y: hướng di chuyển tay máy từ trái qua phải - Trục Z: hướng di chuyển tay máy dưới lên trên Thiết kế cơ khí của tay máy liên quan trực tiếp đến môi trường làm việc và các đặc tính chuyển động. Nhằm tạo độ cứng vững trong khi làm việc, khớp đầu tiên phải tự quanh trục (Quay quanh Z) nhằm tránh các lực quán tính lệch tâm gây ra bởi trọng lực. Hai trục tiếp theo có khả năng đưa điểm cuối khâu 3 di chuyển theo 2 trục X và Y như vậy cần tổ hợp của các chuyển động quay bản lề và chuyển động tịnh tiến. 2.1.2. Sơ đồ động học robot Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  14
  16. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh Hình 2 -2: Sơ đồ động học robot hàn ống di động Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  15
  17. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh 2.2. Khảo sát động học Robot 2.2.1. Trạng thái vật rắn trong không gian Trạng thái vật rắn trong không gian, bao gồm vị trí và hướng của đối tượng có thể được xác định bởi 6 thông số, mô tả mối liên hệ giữa hệ tọa độ cố định và hệ tọa độ động gắn cứng vào vật rắn. Trong đó 3 tham số mô tả vị trí gốc hệ tọa độ động, 3 tham số biểu diễn hướng của vật rắn với hệ tọa độ tham chiếu. a) Ma trận Cosin chỉ hướng: Ma trận cosin chỉ hướng mô tả mối liên hệ hướng giữa hệ tọa độ động và hệ tọa độ cố định. Gọi i, j, k là các vecto đơn vị của các trục hệ tọa độ cố định u, v, w là các vectơ đơn vị hệ tọa độ động (Ở đây gốc 2 hệ tọa độ trùng nhau) Trong hệ tọa độ cố định A: Vecto p bất kì được biểu diễn theo các vecto đơn vị của 2 hệ: A p = p x i + p y j + p zk B p = puu + pv v + pw w A Vậy p = A R B .B p Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  16
  18. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh ⎡u x vx w x ⎤ ⎡ a11 a12 a13 ⎤ A R B = ⎢u y vy w y ⎥ = ⎢ a21 a22 a23 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢⎣u z vz w z ⎥⎦ ⎢⎣ a31 a 32 a 33 ⎥⎦ A Ta gọi ma trận R B là ma trận cosin chỉ hướng của hệ tọa độ động so với hệ tọa độ cố định A. Ma trận cosin chủ hướng mô tả hướng của B so với hệ tọa độ A, chuyển tọa độ vị trí vector của điểm P bất ký trong hệ tọa độ động đến A hệ tọa độ cố định. Ma trận RB có 9 phần tử nhưng chỉ có 3 phần tử độc lập, như vậy có thể chọn 1 bộ thông số gồm 3 phần tử để biểu diễn hướng của vật rắn trong không gian. b) Định hướng vật rắn bằng các góc RPY Việc định hướng hệ tọa độ gắn với mũi hàn ta thực hiện bằng cách quay hệ gốc lần lượt quanh trục z, y, x của hệ tọa độ động (các góc ZYX) với các góc lần lượt là ( φ , θ , ψ), để hệ tọa độ sau 3 phép biến đổi trùng với hệ tọa độ động gắn trên mũi hàn. Có thể chứng minh được mỗi hướng của vật thể tương ứng với chỉ một bộ 3 thông số góc quay này. Ba góc ( φ , θ, ψ) được gọi là 3 góc ZYX định hướng đối tượng. Sử dụng các góc ZYX, có thể quay hệ qui chiếu Ox0 y0z0 sang hệ Ox fiyfi zfi bằng 3 phép quay như sau Ma trận biểu diễn hướng của vật rắn sử dụng 3 góc ZYX nhận được từ tích 3 ma trận quay cơ bản AE = R (z, ) R(y, θ) R(x, ψ) Thay các ma trận quay cơ bản vào phương trình trên ta được ma trận cosin chỉ hướng mô tả hướng của mũi hàn trong hệ tọa độ cơ sở, là hàm của các biến ( φ , θ , ψ) Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  17
  19. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh ⎡ CφC θ CφSθSψ + SφC ψ CφSθ Cψ + SφSψ ⎤ ⎢ ⎥ A ZYX = ⎢ Sφ Cθ Sφ Sθ Sψ + Cφ Sψ Sφ Sθ Cψ − Cφ Sψ ⎥ ⎢ −S θ CθSψ Cθ Cψ ⎥ ⎣ ⎦ 2.2.2 Xây dựng hệ tọa độ vật theo phương pháp Denavit – Hartenberg Để nghiên cứu động học của Robot, Denavit-Hartenberg đã đề xuất phương án gán hệ trục tọa độ lên các khâu của Robot, để từ đó chuyển đổi tọa độ của điểm thao tác về hệ tọa độ gắn liền với hệ qui chiếu cố định. Hệ tọa độ Denavit - Hartenberg được xây dựng như sau + Trục z i-1 được chọn dọc theo hướng của trục khớp động thứ i. + Trục xi-1 được chọn dọc theo đường vuông góc chung của 2 trục zi-1 và zi-2, hướng từ zi-2 sang zi-1, nếu 2 trục x cắt nhau thì hướng tùy ý. + Gốc Oi-1 được chọn tại giao điểm của trục xi-1 và zi-1 . + Trục yi-1 chọn sao cho (Oxyz)i-1 là hệ qui chiếu thuận. Hình 2-3. Xây dựng hệ tọa độ gắn vào khâu i theo phương pháp Denavit- Hartenberg Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  18
  20. Luận văn thạc sĩ Dương Quốc Khánh a) Tham số động học và ma trận Denavit-Hartenberg Sau khi thiết lập xong các hệ tọa độ, vị trí của hệ tọa độ Oi so với hệ tọa độ Oi-1 được xác định bởi 4 tham số sau đây. θi là góc quay trục x i-1, xung quanh trục zi theo chiều ngược chiều kim đồng hồ để phương của các trục tọa độ xi-1 và xi trùng nhau. di =Oi-1 Oi là khoảng dịch chuyển tịnh tiến dọc theo trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1 chuyển đến Oi (Oi - giao điểm của trục xi với zi-1 (hình 1.1). ai là khoảng dịch chuyển dọc theo trục xi để đưa Oi-1 tới điểm Oi. αi là góc quay quanh trục xi sao cho trục z i-1 chuyển đến trục zi. Hình 2-4. Các tham số biến đổi 2 hệ tọa độ Ta có thể chuyển tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ khớp (Oxyz)i bằng các phép biến đổi cơ bản liên tiếp như sau: Quay quanh trục zi-1 một góc θi => Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di => Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục x i một đoạn ai => Quay quanh trục x i một góc αi Ma trận mô tả trạng thái của hệ tọa độ Oi so với hệ độ O i-1 Nghiên cứu, thiết kế robot hàn – cắt gia công đường ống dẫn dầu khí  19
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2