BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------NGUYỄN VĂN CÔNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ROBOT HÀN ĐỂ HÀN MỘT SỐ ĐƯỜNG
CONG PHỨC TẠP

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1/ TS. ĐINH VĂN CHIẾN
2/ GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH

HÀ NỘI – 2011

2


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa ................................................................................................................2
MỤC LỤC....................................................................................................................3
Lời cam đoan.................................................................................................................6
Danh mục các bảng .......................................................................................................7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị........................................................................................8
PHẦN MỞ ĐẦU..........................................................................................................12
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR)...............................14
1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp ( Inductrial Robot).............................................15

2.6.1 Khái niệm về hồ quang hàn..................................................................................43
2.6.2 Sự cháy và phân bố nhiệt hồ quang .....................................................................43
2.7 Ứng suất và biến dạng hàn ......................................................................................44
2.7.1 Khái niệm về ứng suất và biến dạng hàn .............................................................44
2.7.2 Ứng suất và biến dạng dọc ...................................................................................45
2.7.3 Ứng suất và biến dạng ngang ...............................................................................47
2.7.4 Biến dạng góc và cục bộ ......................................................................................48
2.7.5 Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn.............................................49
2.8 Khuyết tật của mối hàn và phương pháp kiểm tra .................................................52
2.8.1 Khuyết tật của mối hàn ........................................................................................52
2.8.2 Phương pháp kiểm tra khuyết tật mối hàn ...........................................................56
2.9 Giới thiệu một số công nghệ hàn ............................................................................58
2.9.1 Hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc ........................................................58
2.9.2 Hàn MIG, MAG ...................................................................................................58
2.9.3 Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ....................59
2.9.4 Hàn điện tiếp xúc .................................................................................................60
Chương 3: KẾT CẤU ROBOT HÀN ........................................................................62
3.1 Tại sao và khi nào dùng Robot hàn? .......................................................................63
3.1.1 Khi nào dùng Robot hàn ......................................................................................63
3.1.2 Tại sao hàn bằng Robot........................................................................................63
3.2 Các bộ phận cơ bản và tính năng của hệ thống Robot Kuka ..................................65
3.2.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống robot Kuka .....................................................65

4


3.2.2 Thông số động học của robot ...............................................................................67
3.2.3 Tay máy cơ khí.....................................................................................................68
3.3 Các phương pháp điều khiển robot .........................................................................70
3.3.1 Các hệ toạ độ và các kiểu chuyển động của robot Kuka .....................................70

Bảng 1-2: Ước tính sự phát triển của robot trên thế giới
Bảng 3-1: Bảng các thông số động học

7


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Victor Scheinman và Cánh tay Robot Stanford
Hình 1-2: Robot Shakey
Hình 1-3: Robot Stanford Cart
Hình 1-4: Robot 8 chân Dante
Hình 1-5: Robot Asimo
Đồ thị 1-1: Ước tính robot công nghiệp hoạt động trên toàn thế giới
Đồ thị 1-2: Cung ứng robot công nghiệp hàng năm của một số quốc gia.
Hình 1-6: Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật
Hình 1-7: Robot có không gian làm việc dạng trụ θ
Hình 1-8: Robot có không gian làm việc dạng cầu
Hình 1-9: Robot kiểu nối
Hình 1-10: Robot SCARA
Hình 2-1: Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái hàn
Hình 2-2: Một số liên kết hàn thường gặp
Hình 2-3: Các vùng quy ước trên mặt cắt ngang của liên kết hàn giáp mối
Hình 2-4: Tác dụng nén của điện trường lên que hàn khi nóng chảy
Hình 2-5: Sơ đồ vũng hàn; A,B: Phần đầu và phần đuôi của vũng hàn
Hình 2-6: Sơ đồ kết tinh của kim loại mối hàn
Hình 2-7: Tổ chức vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn giáp mối thép ít Cacbon
Hình 2-8: Phân loại mối hàn theo vị trí trong không gian
Hình 2-9: Phân loại mối hàn theo phương của ngoại lực.
Hình 2-10: Cấu tạo của hồ quang
Hình 2-11: Sự phân bố nhiệt của hồ quang

Hình 3-2: Các chủng loại robot và tải trọng của Robot Kuka
Hình 3-3: Robot trượt trên băng tải
Hình 3-4: Robot treo trên dầm
Hình 3-5: Hình dáng chung của Robot Kuka
Hình 3-6: Các trục toạ độ trên cánh tay robot
Hình 3-7: Các khâu của cánh tay robot Kuka
Hình 3-8: Khớp nối các khâu của robot
Hình 3-9: Một số hình ảnh về các công đoạn lắp ráp robot

9


Hình 3-10:Các loại robot Kuka
Hình 3-11: Chiều các trục toạ độ trên robot
Hình 3-12: Hệ toạ độ gốc cố định
Hình 3-13: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại tâm của dụng cụ
Hình 3-14: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại phôi
Hình 3-15: Các trục chuyển động của robot Kuka
Hình 3-16: Các kiểu chuyển động nội suy của robot
Hình 3-17: Cấu trúc điều khiển của robot
Hình 3-18: Tủ điều khiển với bộ phận PC
Hình 3-19: Tủ điều khiển và các BUS
Hình 3-20: Điều khiển rô bốt với thiết bị camera
Hình 3-21: Màn hình và thiết bị máy tính điều khiển rô bốt
Hình 3-22: KUKA Control Panel (KCP)
Hình 3-23: Bảng các nút trạng thái
Hình3-24: Bảng dạy học Teach Pendant
Hình3-25: Khối các chữ số các ký tự bảng mã ASCII
Hình 4-1: Robot hàn
Hình 4-2: Robot phun sơn

11


PHẦN MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá
quá trình sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng
thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một vấn đề thời sự
là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp
ứng sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá cạnh tranh. Robot công
nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ thống sản
xuất linh hoạt đó.
Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, Robot công nghiệp đã có một lịch sử
phát triển hấp dẫn. Ngày nay Robot công nghiệp đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều
lĩnh vực sản xuất. Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như trong nước ta hoàn
toàn chưa du nhập về kỹ thuật Robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin
kỹ thuật về lĩnh vực này. Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập
ngoại nhiều loại Robot để phục vụ sản xuất như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm
gia công CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử, thao tác ở các máy ép nhựa, hàn vỏ xe
ôtô, xe máy, phun sơn v.v…
Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và cao đẳng nghề đã bắt đầu giảng dạy về
Robot. Đặc biệt trong những năm gần đây xu thế nhập Robot công nghiệp ở các
trường nghề ngày càng gia tăng để phục vụ cho học sinh, sinh viên thực tập, tiếp
cận dần với nền sản xuất hiện đại. Tuy nhiên sự chuyển giao công nghệ của nhà sản
xuất chưa thật như ý muốn, chưa tận dụng khai thác triệt để của thiết bị. Là một kỹ
sư tôi mong muốn đóng góp một phần nhỏ bé của mình vào công việc chung của sự
nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá sản xuất. Tôi mạnh dạn chọn đề tài này làm
luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu ứng dụng robot hàn để hàn một số đường cong
phức tạp”.

1.3.1 Phân loại theo hình học
1.3.2 Phân loại theo điều khiển
1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất
1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn

14


1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp (Industrial Robot)
Thuật ngữ “ROBOT” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công
việc tạp địch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào
năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra
những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là
một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt
chước các hoạt động cơ bắp của con người.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company)
quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp”
(Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay
Robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng
như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những Robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh
vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và
các máy công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ - tớ) đã phát triển mạnh
trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ.
Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một
hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong.
Ngày nay trong sản xuất, việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là hết
sức quan trọng, giải pháp cho vấn đề này là ứng dụng rộng rãi các phương tiện
tự động hoá trong các quá trình sản xuất. Trên thế giới hiện nay nói chung và

thề cầm nắm, nâng hạ, dịch chuyển, đảo lật, buông thả các đối tượng trong một
không gian hoạt động xác định.
Năm 1950 cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số
với chỗ dựa là các cơ cấu điều phối vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện
toán (computation), ngay lập tức các ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC với các
cơ cấu điều khiển từ xa đã được hình thành và triển khai nghiên cứu… Sự kết
hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt khéo léo của teleoperator với độ nhạy bén
của hệ điều khiển NC đã đưa ra kết quả là một thế hệ máy móc tự động mới ra
đời với tên gọi “Người máy”.

16


Năm 1956, Engelberger xây dựng một công ty sản xuất robot đầu tiên có tên là
Unimation (Universal Automation) nhằm sản xuất những robot công nghiệp đầu
tiên dựa trên sáng chế của George Devol. Năm 1961, họ cho ra đời robot đầu
tiên có tên là Unimate. Với thành công này, Engelberger được gọi là cha đẻ của
robot học.
Trên thực tế hầu hết các robot Unimate bán ra là để làm công việc lấy khuân ra
khỏi các máy dập khuân và để hàn điểm trên ôtô. Đây là hai loại công việc mà
công nhân không bao giờ muốn làm. Tuân theo các lệnh tuần tự được lưu trữ
trong một trống từ, một cánh tay nặng 4000 pound đủ linh hoạt để có thể làm
được rất nhiều loại tác vụ.
Cả hai ứng dụng này đã thành công rất lớn về thương mại cụ thể là những robot
làm việc rất đáng tin cậy và tiết kiệm tiền thuê nhân công. Một công nghiệp mới
ra đời với rất nhiều các công việc do robot thực hiện. Robot công nghiệp
Unimate là một trong những robot cho phép lập trình chuyển động hoàn toàn
trên 6 trục và được thiết kế để có thể nâng trọng lượng 500 pound với tốc độ
nhanh. Sau hơn 20 năm cái tiến, robot này có độ tin cậy cao và rất dễ sử dụng.



18


mục tiêu mà người sử dụng đưa ra. Hệ thống cũng khái quát và giữ lại các lệnh
này để có thể sử dụng lại trong tương lai.
Từ năm 1979, phòng thí nghiệm Stanford tiếp tục đưa ra một thiết kế mới, xe tự
định vị Stanford Cart , được xây dựng với mục đích ban đầu là tạo ra một thiết
bị điều khiển từ xa lưu động (Rover) trên mặt trăng.

Hình 1-3: Robot Stanford Cart
Từ năm 1967 cho đến 1970, nó được thiết kế lại để có thể tự động đi theo một
vạch kẻ màu trắng trên đường. Một máy tính từ xa điều khiển hoạt động của xe
này nhờ thông tin truyền về từ một camera vô tuyến gắn trên xe. Năm 1977
Hans Moravec tiếp tục thiết kế lại, trang bị cho nó một camera vô tuyến gắn trên
đỉnh để chụp ảnh từ các góc độ khác nhau và chuyển về cho máy tính. Máy tính
sẽ tính toán khoảng cách xe và chướng ngại vật sau đó điều khiển xe đi vòng
qua những chướng ngại vật này. Năm 1979, Stanford cart chỉ mất gần 5 giờ len
lỏi qua một căn phòng đầy bàn ghế - không hề có sự trợ giúp của con người.
Đây quả là cột mốc đánh dấu thành quả mới cho những cỗ xe tự định vị.
Năm 1992 Robot 8 chân Dante thực hiện thám hiểm núi lửa Erebus ở
Antarctica. Nó được điều khiển từ Mỹ và đã thu thập được một ít dữ liệu. Tuy
những khó khăn về cơ khí đã khiến thử nghiệm này đã phải ngừng lại, nhưng

19


những cột mốc nó đặt ra đã khuyến khích những người đi đầu trong một kỷ
nguyên mới: Robot thám hiểm những khu vực nguy hiểm thay cho con người.



29.756

67.000

Mỹ

4.327

7.634

11.100

Đức

5.845

5.125

8.600

Ý

2.500

2.408

4.000

Pháp

Năm

Năm

Năm

Năm

Năm

Năm

Năm

Năm

1973

1983

1990

1995

2000

2005

2007


¾ Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI2860/BRD: Robot là một thiết bị có
nhiều trục, thực hiện các chuyển động tự động có thể chương trình hoá và
nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính
hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ hợp nhất
ghép nối với nhau, có khả năng học nhớ các chương trình; chúng được
trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác nhau thực hiện
các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp.
1.3 Phân loại Robot
Có hai phương pháp phân loại robot. Một là theo tính chất vật lý hay hình học
của chúng. Hai là theo cách chúng được điều khiển
1.3.1 Phân loại theo hình học
Ngành công nghiệp dùng các thiết kế các robot khác nhau với các ưu nhược
điểm riêng. Về cơ bản, một robot phải có 3 bậc tự do để tiếp cận tới tất cả
các điểm trong không gian. Tuy nhiên nó phải có 3 bậc tự do để kẹp 1 vật thể

23


trong không gian. Có 5 loại robot có tính chất không gian làm việc khác
nhau, đó là:
1. Loại có dạng đề các (chữ nhật) (x,y,z)
2. Loại có dạng trụ (kiểu trụ) (r,θ,z)
3. Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực) (r,θ, )
4. Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo) (θ1, θ2, θ3)
5. SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn) (θ1, θ2, θ3)
Mỗi loại robot trên được mô tả theo 3 khớp nối đầu tiên bao gồm bậc tự do
của khớp. Mỗi khớp có thể mô tả bằng toán học hoặc theo chính hệ toạ độ
của chúng, mô tả này có thể vẽ trong hệ toạ độ đề các. Chú ý rằng chuyển
động tịnh tiến và quay của cánh tay Robot bị hạn chế bởi thiết kế robot.
1. Kiểu đề các (Hình 1-6)

đó θ quay (quanh trục z) và khoảng cách r.
x=rcosθ , y=rsinθ

25

(2)


Loại robot này đa năng hơn loại đề các. Tuy nhiên nó có độ chính xác
thấp hơn.
3. Kiểu không gian làm việc hình cầu (Hình 1-8)
Loại robot này có một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, 3 khớp đầu tiên của
robot này tương ứng với 3 biến cơ bản của một hệ toạ độ cầu
Chuyển động quay:

1

Chuyển động quay vuông góc với mặt phẳng của

(quay quanh trục z):

θ
Tầm với: z

Hình 1-8: Robot có không gian làm việc dạng cầu
Để biết vị trí của tay robot, phải giữ nguyên các giá trị ( , θ, r). Tuy
nhiên nếu chúng ta có vị trí tay robot ở dạng (x, y, z) chúng ta phải thực
hiện phép chuyển hệ.
Theo cách ít chặt chẽ hơn giống như trong trường hợp của robot loại 2,
chúng ta có thể xác định toạ độ khớp ( , θ, r) phải nằm vị trí của tay máy