Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện
đang sử dụng (ngoại trừ tài liệu tham khảo và những kiến thức cơ bản trong các tài
liệu học tập và nghiên cứu đƣợc phép sử dụng).
Nội dung nghiên cứu bao gồm: Tổng quan về robot hàn, Tính toán thiết kế
các khâu, Mô phỏng hoạt động của tay máy robot bằng OpenGL.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.

Hà Nội, ngày tháng năm 2013
Tác giả

Trần Duy Thúy

1


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
MỤC LỤC ................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU....…………………………4
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................ 8
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ..................................... 12
1.1 CẤU TẠO CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP .................................................. 12


2


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

3.3. MÔ PHỎNG BÀI TOÁN CẦN THỰC HIỆN............................................ 97
3.3.1. Cách tạo một Project MFC để mô phỏng hoạt động. ......................... 97
3.3.2. Khởi tạo và thiết lập các gói thƣ viện của OpenGL. ........................ 103
3.3.3. Tạo các hàm. .................................................................................... 105
3.3.4. Thiết kế các mô hình đối tƣợng 3D trên SolidWorks. ..................... 126
3.3.5. Chạy mô phỏng sau khi hoàn thành. ................................................ 129
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 132

3


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU

FMS

Flexoble Manufacturing Systems

CIM


4


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1: Cấu hình của robot công nghiệp…………………………..…..

13

Hình 1.2: Kết cấu tay máy robot……..…………………………………..

13

Hình 1.3: Tay máy robot kết cấu song song……………………...……… 14
Hình 1.4: Tay máy robot hàn có cấu trúc nối tiếp……………………….. 15
Hình 1.5: Ba chuyển động tịnh tiến và ba chuyển động quay của tay máy 18
robot……………………………………………………………………..
Hình 2.1: Thiết kế khâu 6 - Mỏ hàn……………………………………..

19

Hình 2.2: Đặc trƣng hình học của khâu 6………………………………..

20

Hình 2.3: Đồ thị đặc tính tải khớp 6……………………………………..



Hình 2.12: Kết cấu hộp giảm tốc trục 5………………………………….

34

Hình 2.13: Động cơ trục 5……………………………………………….. 37
Hình 2.14: Kích thƣớc động cơ trục 5…………………………………… 39
Hình 2.15: Thiết kế và lắp ghép khâu 4………………………………….. 41
Hình 2.16: Thiết kế và lắp ghép khâu 4-6………………………………..

42

Hình 2-17: Đặc trƣng hình học cụm lắp ghép khâu 4-6…………………. 42
Hình 2.18: Hộp giảm tốc trục 4………………………………………….. 43
Hình 2.19: Kết cấu hộp giảm tốc trục 4…………………………………

43

Hình 2.20: Động cơ dẫn động trục 4…………………………………….

49

Hình 2.21: Kích thƣớc động cơ dẫn động trục 4…………………………

50

Hình 2.22: Thiết kế khâu 3………………………………………………. 52
Hình 2.23:Đặc trƣng hình học khâu 3……………………………………

53

65

Hình 2.33: Đặc trƣng hình học cụm khâu (2+3+4+5+6)………………… 66
Hình 2.34: Hộp giảm tốc trục 2………………………………………….. 67
Hình 2.35: Kích thƣớc hộp giảm tốc trục 2……………………………… 67
Hình 2.36: Kích thƣớc động cơ trục 2…………………………………… 68
Hình 2.37: Hình ảnh động cơ trục 2……………………………………...

71

Hình 2.38: Thiết kế khâu 1………………………………………………. 74
Hình 2.39: Đặc trƣng hình học khâu 1…………………………………...

75

Hình 2.40: Thiết kế cụm khâu lắp ghép (1+2+3+4+5+6)……………….

79

Hình 2.41: Đặc trƣng hình học cụm khâu (1+2+3+4+5+6)……………...

79

Hình 2.42: Hộp giảm tốc trục 1………………………………………….. 80
Hình 2.43: Kích thƣớc hộp giảm tốc trục 1……………………………… 81
Hình 2.44: Kích thƣớc động cơ trục 1…………………………………… 81
Hình 2.45: Hình ảnh động cơ trục 1……………………………………...

82



29

Bảng chế độ làm việc của khâu 5………………………………………..

32

Đồ thị đặc tính tải khâu 5………………………………………………..

33

Thông số hộp giảm tốc khâu 5…………………………………………..

34

Động cơ dẫn động trục 5 ………………………………………………..

35

Bảng chế độ làm việc của khâu 4………………………………………..

38

Đồ thị đặc tính tải khâu 4………………………………………………..

41

Thông số hộp giảm tốc khâu 4…………………………………………..

44


Đồ thị đặc tính tải khâu 2…………………………………………………

60

Thông số hộp giảm tốc khâu 2……………………………………………

64

Động cơ dẫn động trục 2…………………………………………………

69

Bảng chế độ làm việc của khâu 1………………………………………..

71

Đồ thị đặc tính tải khâu 1…………………………………………………

86

Thông số hộp giảm tốc khâu 1……………………………………………

88

Động cơ dẫn động trục 1…………………………………………………

92

9

10


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Tóm tắt các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả:
-

Thiết kế đƣợc hoàn chỉnh phần cơ khí tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do trong đáng lƣu ý là phần tính toán lựa chọn động cơ và hộp giảm tốc

-

Mô phỏng hoạt động của tay máy bằng OpenGL

Phương pháp nghiên cứu:
- Tham khảo các dạng tay máy robot hàn của các hãng trên thế giới
- Tập hợp các ý kiến đóng góp của các chuyên gia về lĩnh vực hàn, tự động
hoá và các chuyên gia về công nghệ chế tạo cơ khí
- Thu thập các tài liệu kỹ thuật liên quan việc tính toán, thiết kế
- Ứng dụng thƣ viện OpenGL để mô phỏng hoạt động của robot.

11


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

CHƢƠNG 1.



Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 1.1: Cấu hình của robot công nghiệp

1.2 Tay máy robot
1.2.1 Khái niệm

Hình 1.2 Kết cấu tay máy robot

13


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn
trong lĩnh vực này không có sự khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta
hiểu tay máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo
cơ bản của cánh tay ngƣời (hình 1.2). Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ
phận và cơ cấu cơ khí đƣợc thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tƣơng
đối với nhau, đƣợc gọi là các khâu động. Trong đó, phần liên kết giữa các khâu
động đƣợc gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục. Tay máy cũng bao gồm cả
các cơ cấu tác động là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành
tay máy nhƣ động cơ điện, xy - lanh dầu ép, xy - lanh khí nén,... Phần quan trọng
khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối (End - Effector) để thao
tác trên đối tƣợng làm việc - thƣờng là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên
dùng nhƣ mỏ hàn, đầu phun sơn, ...

chuyển động quay quanh trục) là một trục, tƣơng ứng theo đó là một toạ độ suy
rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động. Mỗi trục của tay
máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí đƣợc điều khiển bởi một bộ xử lý
riêng.
15


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Thông qua các khảo sát thực tế, ngƣời ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt
của tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có số bậc tự do cao. Tuy
nhiên, số bậc tự do này không nên quá 6. Lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu
bố trí hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối
nhằm có thể tiếp cận đối tƣợng thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của
nó) theo mọi hƣớng. Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn 6 sẽ không kinh tế và khó
điều khiển hơn. Sáu bậc tự do (6 chuyển động) đƣợc bố trí gồm:
• Ba chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị.
• Ba chuyển động bổ sung hay chuyển động định hƣớng.
1.2.3 Chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị
Về mặt nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu đƣợc liên kết với
nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở. Khớp động đƣợc
sử dụng trên các tay máy thƣờng là các khớp loại 5 (khớp tịnh tiến hoặc khớp quay
loại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển. Tay
máy có số chuyển động độc lập thƣờng là từ ba trở lên (dƣới đây ta sẽ gọi là bậc tự
do hay bậc chuyển động). Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh
tiến hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất
là một khả năng chuyển động độc lập và thƣờng là một. Nhƣ vậy khái niệm bậc tự
do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một tay
máy có thể thực hiện đƣợc. Trƣờng hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả

dây hàn,v.v... có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn
thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra. Để hoàn toàn định hƣớng đến tƣ thế làm việc với
đối tƣợng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tƣơng tự nhƣ các chuyển
động xoay của cố tay ngƣời; ba khớp quay loại 5 đƣợc sử dụng để xoay khâu tác
động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của nó
(hình 1.5).

17


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 1.5: Ba
chuyển động tịnh
tiến và ba chuyển
động quay của tay
máy robot

Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên đƣợc gọi là các chuyển động định
hƣớng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp tay máy có thể dễ dàng định hƣớng của
khâu tác động cuối đạt đến tƣ thế cần thiết để tác động lên đối tƣợng thao tác, cũng
nhƣ tăng khả năng tránh chƣớng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện
tính chất động lực học của tay máy. Tuy nhiên, điều cần lƣu ý ở đây là thêm càng
nhiều bậc chuyển động một mặt sẽ làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt
khác cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển, tức là làm tăng sai
số tích luỹ trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối. Điều này đồng nghĩa với
sự gia tăng về chi phí, thời gian sản xuất và bảo dƣỡng robot.

Kết luận chƣơng I

2.1 Tính toán trục 6
Khâu 6 là khâu tích hợp với Robot, thông thƣờng là mỏ hàn Blue Torch dùng
cho Robot.

Hình 2.1: Thiết kế khâu 6 - Mỏ hàn

19


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Hình 2.2: Đặc trưng hình học của khâu 6
Tốc độ lớn nhất của trục 6: 5400/s

+ Chế độ làm việc

Chế độ

Tốc độ

Tốc độ

Thời gian

(vg/ph)

(rad/s)

(s)


20


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Sơ đồ động học:

Động

Bộ truyền
đai

Bộ truyền
BR côn
xoắn

Hộp giảm
tốc BR
sóng

cơ

M6

(Khâu 6)

iđ


-

Tốc độ tăng từ 0 lên đến n2 và momen xoắn tăng từ 0 lên đến T1 trong
khoảng thời gian t1. Sau khoảng thời gian 1/2t1, momen xoắn xác lập giá trị là
T1 và duy trì đến khi tốc độ tăng tuyến tính sát với giá trị yêu cầu n 2, lúc đó
T1 giảm để chuẩn bị ổn định momen yêu cầu là T2n2.

-

Trong khoảng thời gian t2 chế độ hoạt động với momen giữ là T2 và tốc độ
quay là n2. Chế độ giảm tốc diễn ra trong khoảng thời gian t3, tốc độ giảm từ
n2 xuống 0, để thực hiện điều này cần đặt vào trục quay một vector momen
âm T3(ngƣợc chiều vector quay) để hãm quá trình chuyển động. Sau khi xác
lập giá trị momen T3 và duy trì trong một khoảng thời gian nhất định, để giá
trị tốc độ ni =0 và tránh hiện tƣợng hụt tốc (quay ngƣợc chiều) lúc đó T3 sẽ
đƣợc điều chỉnh giảm xuống để khi n = 0 thì T3 = 0.

Xong một chu kỳ tải và chuẩn bị bƣớc sang chu kỳ tải tiếp theo sau khoảng thời
gian (t1 + t2 + t3). t4 là thời gian chuyển tiếp giữa 2 chu kỳ tải, momen xoắn trong
giai đoạn này là T4 = 0 ( không đặt tải).

22


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

Momen
Chế độ

t2 = 0.2

Giảm tốc

T3 = 4,029

n3 = 51.67

t3 = 0.1

Chuyển tiếp

T4 = 0

n4 = 0

t4 = 0.2

Sự cố

Tem = 13.255

nem = 94,2

tem = 0.05

-

Tốc độ đầu ra yêu cầu lớn nhất: 94,2(vg/ph)


+ Tuổi thọ của hộp giảm tốc:

Trong đó:
-

Ln là tuổi thọ định mức của nhà sản xuất: Ln = 7000 (h)

-

Tr là momen xoắn định mức của nhà sản xuất: Tr = 16 (Nm)

24


Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hoạt động của tay máy robot hàn hồ quang 6 bậc tự
do chuỗi động hở

-

nr là tốc độ chạy định mức của nhà sản xuất: nr = 2000 (vg/ph)

-

Lh là tuổi thọ dự kiến của hộp giảm tốc (h)

-

Tav là momen xoắn trung bình khi thiết bị hoạt động (Nm)

-