CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong lĩnh vực sản xuất ngày càng phát triển, quy trình hàn đóng vai trò quan trọng
trong việc đảm bảo chất lượng và hiệu suất của sản phẩm. Sự phụ thuộc vào lao động
thủ công trong quá trình hàn không chỉ gặp phải những hạn chế về chính xác và hiệu
suất mà còn đặt ra những thách thức đối với an toàn lao động và chi phí vận hành. Việc
sử dụng lao động nhân viên trong quá trình vận chuyển và hàn sản phẩm không tránh
khỏi những sai sót có thể xuất hiện, từ việc định vị không chính xác đến sai sót trong
quá trình hàn. Nhất là khi đối mặt với các dự án quy mô lớn, việc duy trì một lực
lượng lao động đủ lớn có thể trở thành một thách thức lớn, tăng chi phí vận hành và
giảm năng suất làm việc. Tuy nhiên, với sự xuất hiện của Robot hàn đã mở ra một
cánh cửa mới, giải quyết nhiều vấn đề mà quá trình hàn truyền thống đối mặt. Robot
này không chỉ có khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian, mà còn có thể thực
hiện các nhiệm vụ hàn ở các góc độ và vị trí khó tiếp cận. Điều này không chỉ tăng
cường chính xác và đồng đều trong quá trình hàn mà còn giảm thiểu sai sót và tăng
hiệu suất. Bên cạnh đó, sự tự động hóa trong quá trình hàn bằng Robot không chỉ giảm
chi phí lao động mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Robot có thể làm việc liên tục
mà không cần nghỉ ngơi, giúp tiết kiệm thời gian và tăng cường khả năng đáp ứng với
nhu cầu sản xuất biến động.
Nhìn chung, việc nghiên cứu và ứng dụng Robot hàn trong quá trình sản xuất là
một bước tiến quan trọng, mang lại những lợi ích to lớn từ chất lượng sản phẩm, an
toàn lao động đến hiệu suất và chi phí vận hành. Đề tài "NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ
MÔ HÌNH ROBOT HÀN 4 BẬC TỰ DO TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT"
được em lựa chọn nhằm chủ động đối mặt với những thách thức trên và đóng góp vào
sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp sản xuất.
1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu công nghệ Robot 4 bậc tự do
Thiết kế mô hình hàn
Kiểm soát tự động và lập trình
Đánh giá hiệu năng và chất lượng hàn
Ứng dụng thực tế
1 Phương pháp thực hiện
Nghiên cứu các công nghệ, hệ thống kiểm soát, và phần mềm điều khiển sử
dụng trong robot 4 bậc tự do.
Thiết kế một mô hình robot hàn 4 bậc tự do dựa trên thông số kỹ thuật và yêu
cầu của quá trình sản xuất hàn.
Sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm tra và tối ưu hóa khả năng di chuyển và
tính chính xác của robot trong quá trình hàn.
1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, cộng đồng nghiên cứu đang đặc biệt quan tâm đến ứng dụng của
robot 4 bậc tự do trong lĩnh vực sản xuất. Trung tâm nghiên cứu và các trường đại học
hàng đầu đang tiến hành các dự án nghiên cứu, tập trung vào cải thiện chất lượng hàn
và hiệu suất lao động trong quá trình sản xuất.
Hình 1. 1 Robot hàn của CARNO Plastic Machinery
Nguyên lí hoạt động
Cánh tay robot hàn của CARNO Plastic Machinery hoạt động dựa trên nguyên
lý điều khiển số hóa [CNC]. Theo nguyên lý này, các thông tin về vị trí, tốc độ và lực
tác động của cánh tay robot sẽ được xử lý bởi bộ điều khiển CNC. Bộ cảm biến của
cánh tay robot sẽ tiếp nhận các thông tin về đối tượng cần hàn, chẳng hạn như vị trí,
kích thước, hình dạng, vật liệu,... Các thông tin này sẽ được truyền đến bộ điều khiển
CNC để xác định vị trí, góc hàn, lực hàn,... cần thiết để thực hiện thao tác hàn. Bộ điều
được xác định. Hệ thống điều khiển của cánh tay robot AKB-IRV1 là một hệ thống
điện tử có nhiệm vụ điều khiển các động cơ servo. Hệ thống điều khiển này có thể
được lập trình để thực hiện các thao tác phức tạp trong không gian 3 chiều.
Ưu điểm
Khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian 3 chiều.
Độ chính xác cao.
Có thể được lập trình để thực hiện các thao tác phức tạp.
Nhược điểm
Giá thành cao.
Yêu cầu kỹ thuật cao trong quá trình vận hành và bảo trì.
1.4 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trong tầm nhìn quốc tế, các quốc gia tiên tiến như Hoa Kỳ, Nhật Bản, và các
nước châu Âu đã thể hiện những thành tựu xuất sắc trong việc áp dụng robot hàn 4 bậc
tự do. Các nghiên cứu tại đây không chỉ tập trung vào khả năng tự động hóa trong sản
xuất, mà còn chú trọng vào tích hợp robot với các hệ thống thông minh và quy trình
công nghiệp 4.
Hì nh 1. 3 Cánh tay robot 6 bậc tự do KR 1000 L950 titan PA
Nguyên lí hoạt động
Đầu tiên hệ thống điều khiển nhận tín hiệu đầu vào từ người dùng hoặc từ các
cảm biến. Tín hiệu đầu vào có thể bao gồm thông tin về vị trí, tốc độ và hướng di
chuyển của cánh tay robot. Tiếp đó, hệ thống điều khiển sử dụng các thuật toán để tính
toán các góc quay cần thiết cho các trục của cánh tay robot. Hệ thống điều khiển sẽ gửi
tín hiệu điều khiển đến các động cơ servo. Các động cơ servo này sẽ quay theo hướng
và tốc độ đã được xác định. Các khớp nối của cánh tay robot sẽ chuyển động theo các
góc quay của các trục và di chuyển đến vị trí cần thiết.
Ưu điểm
Tải trọng hoạt động lớn
Tầm với lớn
Khả năng di chuyển nhanh chóng
Độ chính xác cao
Độ bền cao
Nhược điểm
Giá thành cao
Yêu cầu kỹ thuật cao trong quá trình vận hành và bảo trì
Hì nh 1. 4 Cánh tay robot 6 bậc tự do IRB 6700-300/2.
Nguyên lí hoạt động
1 Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học
1.6 Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài mang lại ý nghĩa thực tiễn khi nó hướng đến việc tối ưu hóa quy trình sản
xuất hàn trong các ngành công nghiệp. Việc sử dụng robot hàn 4 bậc tự do có thể giúp
gia tăng hiệu suất và chất lượng sản xuất, đồng thời giảm thiểu sai sót do tác động của
con người. Robot hàn 4 bậc tự do có khả năng tương tác linh hoạt với môi trường làm
việc, giảm nguy cơ tai nạn và tạo ra môi trường làm việc an toàn hơn cho nhân viên.
Sự chính xác và đồng đều của robot có thể giúp nâng cao chất lượng của sản phẩm
hàn. Điều này quan trọng đặc biệt trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác
cao như ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ,...
1.6 Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu này có thể giúp tích hợp công nghệ robot vào quá trình sản xuất,
tăng cường sự hiệu quả và tự động hóa trong quá trình sản xuất công nghiệp giúp tăng
cường hiệu suất và chất lượng trong quá trình hàn, một phần quan trọng của quá trình
sản xuất nhiều sản phẩm. Sự tự động hóa thông qua robot có thể giảm chi phí lao động
và tăng sức mạnh sản xuất, đồng thời giảm rủi ro tai nạn lao động. Nghiên cứu về
robot 4 bậc tự do đóng góp vào sự phát triển của Công Nghiệp 4, nơi mà sự kết hợp
của thông tin và tự động hóa đóng một vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất.
Bằng cách thiết kế mô hình và thực hiện nghiên cứu, đề tài có thể chứng minh khả
năng ứng dụng thực tế của robot hàn 4 bậc tự do trong môi trường sản xuất công
nghiệp.
1 Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết và thiết kế
Chương 3: Tính toán
Chương 4: Mô phỏng
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ
2 Lý thuyết về cánh tay robot
2.1 Tổng quan
Cánh tay robot là một thiết bị tự động hóa được sử dụng trong nhiều lĩnh vực,
trong đó có sản xuất. Cánh tay robot được hình thành và phát triển dựa trên những
nghiên cứu về cơ học, điều khiển tự động và trí tuệ nhân tạo.
Những nghiên cứu đầu tiên về cánh tay robot bắt đầu từ những năm 1920, khi
các nhà khoa học bắt đầu tìm cách chế tạo các thiết bị tự động có thể thực hiện các
nhiệm vụ phức tạp. Năm 1922, nhà khoa học Karel Capek đã sử dụng thuật ngữ
"robot" để mô tả những cỗ máy có thể thực hiện các nhiệm vụ thay cho con người.
Những cánh tay robot đầu tiên được chế tạo vào những năm 1950. Cánh tay
robot 3 trục đầu tiên được chế tạo bởi George Devol vào năm 1954. Cánh tay robot
này được sử dụng trong lĩnh vực sản xuất ô tô.
Trong những năm 1960, cánh tay robot bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các
lĩnh vực sản xuất khác, bao gồm lắp ráp điện tử, chế tạo máy và đóng gói. Cánh tay
robot cũng được sử dụng trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như y tế, quân sự và thăm
dò không gian.
Trong những năm 1970 và 1980, cánh tay robot tiếp tục được cải tiến về khả
năng vận hành và độ chính xác. Cánh tay robot cũng bắt đầu được sử dụng trong các
ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như lắp ráp linh kiện điện tử và phẫu
thuật.
Trong những năm 1990 và 2000, cánh tay robot tiếp tục phát triển mạnh mẽ.
Cánh tay robot trở nên nhỏ gọn hơn, linh hoạt hơn và có khả năng tự động hóa cao
hơn. Cánh tay robot cũng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực mới, chẳng hạn như sản
xuất thực phẩm và dịch vụ khách hàng.
Hiện nay, cánh tay robot là một công nghệ phổ biến trong nhiều lĩnh vực, trong
đó có sản xuất. Cánh tay robot được sử dụng để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau,
bao gồm lắp ráp, hàn, sơn, đóng gói và vận chuyển.
Năng Lượng: Cánh tay robot được ứng dụng trong công việc bảo dưỡng và sửa
chữa hạ tầng năng lượng, như cảng điện gió và nhà máy điện.
Nghiên Cứu và Phát Triển: Sử dụng để thực hiện các thí nghiệm và công việc
nghiên cứu trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và y học.
2.1 Những lợi ích mà cánh tay robot đem lại
Cánh tay robot mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho các lĩnh vực khác nhau:
Tăng Hiệu Suất: Cánh tay robot có khả năng thực hiện công việc liên tục và
lặp lại mà không cần nghỉ, tăng cường hiệu suất sản xuất và làm việc.
Giảm Nguy Cơ Cho Nhân Công: Việc sử dụng cánh tay robot giảm nguy cơ
cho nhân công trong các nhiệm vụ nguy hiểm, nặng nhọc hoặc yêu cầu độ chính
xác cao.
Chính Xác và Độ Tin Cậy: Được lập trình để thực hiện các nhiệm vụ với độ
chính xác cao và độ tin cậy, giảm sai số so với con người.
Tăng Linh Hoạt: Có thể lập trình lại cánh tay robot để thực hiện nhiều nhiệm
vụ khác nhau, tăng cường linh hoạt trong môi trường làm việc.
Giảm Chi Phí Sản Xuất: Sử dụng cánh tay robot giúp giảm chi phí lao động,
đồng thời tăng cường năng suất và giảm lãng phí.
Làm Việc Trong Môi Trường Nguy Hiểm: Cánh tay robot có thể được triển
khai để làm việc trong môi trường nguy hiểm như nơi có chất độc hại, nhiệt độ
cao, hoặc áp suất lớn mà không gây nguy hiểm cho nhân viên.
Tăng Cường Sự Chính Xác Trong Phẫu Thuật: Trong lĩnh vực y tế, cánh tay
robot hỗ trợ bác sĩ trong các ca phẫu thuật, mang lại độ chính xác và kiểm soát
tốt hơn.
Giảm Thiểu Lỗi Nhân Sự: Loại bỏ yếu tố con người khỏi các quy trình sản
xuất giảm thiểu sai sót do lỗi nhân sự.
Tăng Cường Sự Tương Tác: Cánh tay robot có thể được lập trình để tương tác
thông minh với môi trường xung quanh, tạo ra trải nghiệm người-máy tốt hơn.
Hỗ Trợ Người Khuyết Tật: Cánh tay robot có thể hỗ trợ người khuyết tật
trong các hoạt động hàng ngày và tăng cường độc lập cá nhân.
2 Chi tiết mô hình
2.2 Đế robot
Hì nh 2. 1 Đế Robot
Mô tả
Đế robot của cánh tay robot 4 bậc tự do được thiết kế với mục đích cung cấp
một nền tảng ổn định và chắc chắn cho cánh tay robot hoạt động. Đế robot còn có các
lỗ vít để gắn chắc vào thành bám để giữ độ ổn định tránh các dao động.
2.2 Khâu 1
Hì nh 2. 2 Khâu 1
2.2 Khâu 3
Hì nh 2. 4 Khâu 3
Mô tả
Khâu 3 là khâu nối giữa cánh tay phụ và cánh tay gắp. Chức năng của khâu 3
cũng tương tự như khâu 2 đều cung cấp khả năng xoay cánh tay robot quanh một trục
cố định. Tuy nhiên, mỗi khâu được đặt ở vị trí khác nhau trong cấu trúc cánh tay và
được điều chỉnh với các góc độ và hướng khác nhau. Do đó, mặc dù chức năng cơ bản
là giống nhau, nhưng vị trí và góc độ của chúng có thể tạo ra các tình huống làm việc
khác nhau và mang lại sự linh hoạt trong việc thực hiện nhiệm vụ của robot.
2.2 Khâu 4
Hì nh 2. 5 Khâu 4
12345
Mô tả
Khâu 4 là khâu nối giữa cánh tay gắp đầu hàn. Đây là một loại khớp đặc biệt
được thiết kế để chứa và kết nối đầu hàn. Nó là một khớp trục, cho phép đầu hàn di
chuyển lên xuống. Là khâu nhỏ nhất và yếu nhất trong số 4 khâu của robot hàn nên
thường được làm bằng vật liệu nhẹ, để giảm trọng lượng của đầu hàn. Khâu 4 được sử
dụng để gắn đầu hàn vào cánh tay robot và định vị nó tại các vị trí cụ thể trên chi tiết
làm việc. Cung cấp khả năng điều khiển đầu hàn để đảm bảo chất lượng và độ chính
xác trong quá trình hàn.
2 Mô hình tổng
Hì nh 2. 6 Mô hì nh tổng
Chú thích
1. Đế robot 2. Khâu 1 3. Khâu 2
4. Khâu 3 5. Khâu 4
Tổng quát: Với thiết kế hoàn chỉnh và tiên tiến, mô hình cánh tay robot 4 bậc
tự do này không chỉ mang lại sự linh hoạt và độ chính xác trong các nhiệm vụ vận
động, mà còn đem đến trải nghiệm đa dạng và hiệu suất cao. Với khả năng điều khiển
mỗi bậc tự do một cách chính xác, cánh tay robot này có thể thích ứng với môi trường
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN
3 Động học thuận
Phương pháp này ta điều chỉnh vị trí của robot bằng cách thay đổi các góc θ 1 , θ 2 , θ
3 , θ 4.
Bảng DH tìm được:
a α d θ
1 0 90 486 ¿ θ 1
2 500 0 0 ¿ θ 2
3 430 0 0 ¿ θ 3
4 160 0 0 ¿ θ 4
Trong đó:
a: Là khoảng cách của 2 trục z
α : Là góc hợp giữa 2 trục z
d: Là khoảng cách của 2 trục x
θ: Là góc hợp giữa 2 trục x
Ma trận chuyển đổi tổng quát từ hệ i sang i+
cos[theta], -cos[alpha]*sin[theta], sin[alpha]sin[theta], acos[theta]
sin[theta], cos[alpha]*cos[theta], -sin[apha]cos[theta], asin[theta]
0, sin[alpha], cos[alpha], d
0, 0, 0, 1
Ma trận chuyển đổi từ hệ 0 sang hệ 1:
T1 = [ cos[theta1] 0 -sin[theta1] 0;
sin[theta1] 0 -cos[theta1] 0;
0 -1 0 486;
0 0 0 1 ]
Ma trận chuyển đổi từ hệ 1 sang hệ 2:
T2 = [ cos[theta2] -sin[theta2] 0 a2*cos[theta2];
sin[theta1] cos[theta2] 0 a2*sin[theta2];
0 0 1 0;
0 0 0 1 ]
Ma trận chuyển đổi từ hệ 2 sang hệ 3:
T3 = [ cos[theta3] -sin[theta3] 0 a3*cos[theta3];
sin[theta3] cos[theta3] 0 a3*sin[theta3];
0 0 1 0;
0 0 0 1 ]
Ma trận chuyển đổi từ hệ 3 sang hệ 4
T4 = [ cos[theta4] -sin[theta4] 0 a4*cos[theta4];
sin[theta4] cos[theta4] 0 a4*sin[theta4];
0 0 1 0;
0 0 0 1 ]
Ma trận chuyển đổi từ hệ 0 sang hệ 4:
T = T1 x T2 x T3 x T
Từ đó ta tìm được:
Px=cos [ θ 1 ] ∗[ a 3 ∗cos [ θ 2 +θ 3 ] + a 2 ∗cos ¿ [ θ 2 ] +a 4 ∗cos [θ 2 +θ 3 +θ 4 ]] ¿
¿ cos [ θ 1 ]∗[430∗cos [ θ 2 + θ 3 ] + 500 ∗cos¿ [ θ 2 ] + 160 ∗cos [θ 2 +θ 3 + θ 4 ]]¿
Py=sin [ θ 1 ]∗[ a 3 ∗cos [ θ 2 +θ 3 ] +a 2 ∗cos¿ [ θ 2 ] +a 4 ∗cos [θ 2 +θ 3 +θ 4 ]]¿
¿ sin [ θ 1 ]∗¿ ¿
Pz=a 1 −a 3 ∗sin [ θ 2 +θ 3 ]−a 2 ∗sin [ θ 2 ] −a 4 ∗sin [ θ 2 + θ 3 +θ 4 ]
¿ 0 −430∗sin [ θ 2 +θ 3 ] − 500 ∗sin [ θ 2 ] − 160 ∗sin [ θ 2 +θ 3 +θ 4 ]
T = r 11 r 12 r 13 Px
r 21 r 22 r 23 Py
r 31 r 32 r 33 Pz
0 0 0 1
Ta được:
n1 = Px * C 1 + Py * S 1
n2 = a1 – Pz
n3 = Py * C 1 - Px * S 1
m1 = a3 * C 23 + a2 * C 2 + a4 * C 234
m2 = a3 * S 23 + a2 * S 2 + a4 * S 234
m3 = 0
Tính θ 1 :
n3 = m3 Py * C 1 – Px * S 1
S1/ C 1 = Py/Px = tan[θ 1 ¿
θ 1 = atan2[Py/Px]
Tính θ 3 :
n1 = m
n2 = m
Px * C ₁ + Py * S = a3 * C₁ 23 + a2 * C 2 + a4 * C 234 [1]
a1 - Pz = a3 * S 23 + a2 * S 2 + a4 * S 234 [2]
[1] Px * C ₁ + Py * S 1 - a4 * C 234 = a3 * C 23 + a2 * C 2 [3]
[2] a1 – Pz - a4 * S 234 = a3 * S 23 + a2 * S 2 [4]
Đặt:
Nx = Px * C 1 + Py * S 1 – a4 * C 234
Ny = a1 – Pz – a4 * S 234
Suy ra:
[3] Nx = a3 * C 23 + a2 * C 2
[4] Ny = a3 * S 23 + a2 * S 2
N x
2
+ N y
2
\=a 3
2
∗[ C 23
2
+ S 23
2
] + a 2
2
∗[ C 2
2
+ S 2
2
] + 2 ∗a 2 ∗a 3 ∗[C 2 ∗C 23 + S 2 ∗S 23 ]
¿ a 3
2
+ a 2
2
+ 2 ∗a 3 ∗a 2 ∗C 3
C 3 = [ N x
2
+ N y
2
] / 2a3a
S 3 = √ 1 −C 3
2
θ 3 =atan 2 [ S 3 , C 3 ]
Tính θ 2 :
C 2 =N x∗[ a 3 ∗C 3 +a 2 ] +a 3 ∗S 3 ∗N y
[a 3 ∗C 3 + a 2 ]####### 2
####### 2
∗S 3####### 2
N y∗[ a 3 ∗C 3 +a 2 ] −a 3 ∗S 3 ∗N x
[a 3 ∗C 3 +a 2 ]####### 2
+ a 3####### 2
####### 2