Thiết kế chế tạo thử nghiệm robot hàn tự động nhận diện mối hàn

Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu trong số đó như Hoa dụng trong các ngành đóng t

Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục vi

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xvi

CH ƯƠNG 1 T NG QUAN V LƾNH ROBOT HÀN 1.1 S L C V L CH S PHÁT TRI N C A NGÀNH HÀN 1

1.2 ROBOT HÀN 3

1.2.1 ng dụng của robot hàn trong sản xuất 3

1.2.2 Các dạng Robot hàn 5

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN C U 8

1.4 M C TIÊU NGHIÊN C U VÀ GI I H N C A Đ TÀI 25

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 25

1.4.2 Giới hạn của đề tài 26

CHƯƠNG 2 HÀN T Đ NG DƯ I L P THU C 27

2.1 LÝ THUY T C B N V CÔNG NGH HÀN 27

2.1.1 Sự tạo thành mối hàn 27

2.1.2 Tổ chức kim loại của mối hàn 30

2.2 KHÁI NI M 31

2.3 THI T B HÀN T Đ NG D I L P THU C 32

2.4 V T LI U HÀN 35

2.4.1 Dây hàn 35

2.4.2 Thuốc hàn 36

2.5 K THU T HÀN 37

2.5.2 Ngắt hồ quang 39

2.5.3 Kỹ thuật lót 39

2.5.4 Hàn giáp mối 41

2.6 HÌNH D NG VÀ KÍCH TH C M I HÀN 44

2.6.1 nh hưởng của chế độ hàn 44

2.6.2 nh hưởng của các yếu tố công nghệ 47

2.6.3 nh hưởng của các yếu tố kết cấu 51

CH ƯƠNG 3 C U TRÚC PH N C NG C A ROBOT 53

3.1 C U TRÚC PH N C NG C A ROBOT HÀN T HÀNH 53

3.1.1 Dạng 1: Robot hàn tự hành dùng để hàn góc không có bộ phận tạo quỹ đạo công nghệ hàn 53

3.1.2 Dạng 2: Robot hàn tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn góc 53

3.1.3 Dạng thứ 3: Robot hàn tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn góc có ray dẫn hướng 54

3.2 L A CH N PH NG ÁN B TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT 55

3.2.1 Phương án 1 55

3.2.2 Phương án 2 56

3.2.3 Phương án 3 57

3.2.4 Phương án 4 58

3.2.5 Phương án 5 58

3.2.6 Lựa chọn phương án phù hợp nhất 59

3.3 C U TRÚC PH N C NG C A ROBOT 60

3.3.1 Module ray dẫn hướng 61

3.3.2 Thân robot `63

3.3.3 Module trượt gắn cảm biến dò đường hàn 64

3.3.4 Module trượt gắn đầu hàn 75

3.4 QU Đ O CÔNG NGH HÀN 79

3.4.1 Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn 79

3.4.3 Giải pháp tạo quỹ đạo công nghệ hàn cho robot 82

CH ƯƠNG 4 THU T TOÁN ĐI U KHI N Đ U HÀN 82

4.1 PHÂN TÍCH CÁC PH NG PHÁP NH N BI T Đ NG HÀN CÁC Đ TÀI TR C 85

4.1.1 Nhận biết bằng phương pháp dò theo vách đứng khi hàn góc: 85

4.1.2 Tạo vết dẫn đường để điều khiển đường đi của robot theo đường hàn: 86

4.1.3 Lấy mẫu điểm trên đường hàn với công cụ lập trình Teach Pendant: 87

4.1.4 Nhận biết các điểm mép của đường hàn dùng cảm biến quang: 89

4.2 PH NG PHÁP NH N BI T MÉP HÀN 90

4.2.1 Phân tích cấu tạo đường hàn 90

4.2.2 Các phương án nhận biết các điểm mép đường hàn 92

4.3 CÁC PH NG ÁN NH N BI T Đ NG HÀN 95

4.3.1 Các phương án 95

4.3.2 Lựa chọn phương án tối ưu 103

4.3 THU T TOÁN ĐI U KHI N Đ U HÀN 104

CH ƯƠNG 5 B ĐI U KHI N C A ROBOT 110

5.1 S Đ KH I ĐI U KHI N ROBOT 110

5.1.1 DC Motor 110

5.1.2 Mạch công suất H – Bridge 112

5.1.3 Bộ điều khiển PID tốc độ, vị trí cho DC motor 114

5.1.4 Cảm biến quang E3X-DA-S 120

5.1.6 Vi điều khiển ATmega128 123

5.2 M CH ĐI N ĐI U KHI N ROBOT 124

CH ƯƠNG 6 TH NGHI M VÀ ĐÁNH GIÁ K T QU 128

6.1.TH NGHI M 128

6.2.ĐÁNH GIÁ K T QU 131

7.2.NH NG CÔNG VI C ĐÃ TH C HI N Đ C 132

7.3.NH NG H N CH VÀ H NG PHÁT TRI N C A Đ TÀI 132

PH L C 134

TÀI LI U THAM KH O 157

HÌNH TRANG

Hình 1.1 Các phương pháp hàn 2

Hình 1.2 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 4

Hình 1.3 H ệ thống robot hàn đường của hãng FANUC 4

Hình 1.4 Tay máy 6 bậc tự do 5

Hình 1.5 Đầu hàn MIG/MAG có ly hợp chống va đập 6

Hình 1.6 Robot hàn v ới ray trượt nằm ngang 6

Hình 1.7 Robot hàn với ray trượt trên trần và trên vách 7

Hình 1.8 Robot hàn ray tr ượt đứng và ray trượt cong của hãng Bug-O 7

Hình 1.9 Robot hàn tự hành hoàn toàn tự động 8

Hình 1.10 Robot hàn c ủa hãng ABB 8

Hình 1.11 Robot hàn t ự hành của hãng Ishimatsu 9

Hình 1.12 Robot hàn cắt tự hành của hãng Bug-O 9

Hình 1.13 Các đơn vị chính của hệ thống hàn đa cảm biến 10

Hình 1.14 C ấu hình của bộ điều khiển nhúng cho các robot hàn di động 'RRX3' 11

Hình 1.15 Sơ đồ khối của hệ thống 11

Hình 1.16 C ảm biến thị giác 12

Hình 1.17 C ấu trúc của robot hàn ống của đề tài 13

Hình 1.18 Đường hàn hình chữ nhật (RWL) 14

Hình 1.19 Mô hình nguyên lý c ủa Robot 14

Hình 1.20 Mô hình thực tế của robot 15

Hình 1.21 Mô hình nguyên lý c ủa robot hàn di động dùng để hàn góc 16

Hình 1.22 Mô hình th ực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc 17

Hình 1.23 Robot gỡ xỉ hàn của đề tài 17

Hình 1.24 Hình ảnh các robot của đề tài 19

Hình 1.25 S ơ đồ cấu trúc của robot hàn 20

Hình 1.26 Nguyên lý hoạt động của robot 21

Hình 1.29 Robot hàn Almega AX-V6 23

Hình 1.30 S ản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận văn đang hàn th ử nghiệm trên sàn bằng tôn 24

Hình 1.31 Hình ảnh Robot của đề tài 25

Hình 1.32 Giới hạn đường cong hàn của đề tài 26

Hình 2.1 M ối nối hàn 27

Hình 2.2 B ể hàn 28

Hình 2.3 Hình dạng và kích thước của bể hàn 28

Hình 2.4 Tác d ụng của lực từ trường ép lên que hàn 29

Hình 2.5 T chức kim loại của mối hàn 30

Hình 2.6 Nguyên lý quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc 31

Hình 2.7 Các kh ả năng chuyển động của đầu hàn tự động trên xe tự hành 33

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý xe hàn vạn năng 34

Hình 2.9 Thi ết bị hàn tự động dưới lớp thuốc 35

Hình 2.10 B ột sắt hoặc phoi thép 38

Hình 2.11 Cắt vát đầu dây hàn 39

Hình 2.12 Hàn lót để hàn SAW 40

Hình 2.13 (A) Hàn giáp m ối rãnh V, (B) hàn giáp mối vuông 40

Hình 2.14 Lót bằng thuốc hàn 40

Hình 2.15 Lót b ằng gốm 41

Hình 2.16 Tấm lót thép để hàn giáp mối tấm mỏng 42

Hình 2.17 Hàn hai phía tấm dày 19 ÷ 25.4mm 42

Hình 2.18 Hàn hai phía t ấm dày 32 ÷ 38 mm 43

Hình 2.19 Các kích thước đặc trưng của mối hàn 44

Hình 2.20 S ự thay đ i hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn 45

Hình 2.21 S ự thay đ i hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn theo điện áp hàn 46

Hình 2.23 nh hưởng của tốc độ hàn 47

Hình 2.24 Góc nghiêng dây hàn và ảnh hưởng của góc nghiêng về phía trước lên hình dạng mối hàn 48

Hình 2.25 Góc nghiêng v ật hàn và hình dạng mối hàn 49

Hình 2.26 V ị trí dây hàn khi hàn các mối hàn vòng đường kính nhỏ và cường độ dòng điện hàn tối đa 50

Hình 2.27 nh h ưởng cực tính dòng hàn 50

Hình 2.28 Độ nhú điện cực 51

Hình 2.29 nh hưởng của góc rãnh hàn và khe đáy lên hình dạng mối hàn 51

Hình 3.1 Robot hàn góc c ủa hãng Koile (Nhật) 53

Hình 3.2 Robot hàn tự hành dùng hàn phẳng và góc của Bug-O 54

Hình 3.3 Robot hàn tự hành dùng hàn đứng của Bug-O 55

Hình 3.4 Ph ương án 1 56

Hình 3.5 Phương án 2 57

Hình 3.6 Ph ương án 3 57

Hình 3.7 Ph ương án 4 58

Hình 3.8 Phương án 5 59

Hình 3.9 Ph ương án truyền động của robot 60

Hình 3.10 Mô hình t ng th ể của robot 61

Hình 3.11 Mô hình 3D của thanh trượt bi dùng làm ray dẫn hướng 62

Hình 3.12 Các hình chi ếu của thanh trượt và con trượt 62

Hình 3.13 Gắn 2 thanh trượt và thanh răng trên khung gá 63

Hình 3.14 Kích thước khung gá 63

Hình 3.15 Thân robot 64

Hình 3.16 Chuy ển động song phẳng 64

Hình 3.17 Mô hình bài toán chuyển động song phẳng 65

Hình 3.18 Xác định tâm quay tức thời 66

Hình 3.20 Nguyên tắc thay đ i tâm quay tức thời 69

Hình 3.21 S ơ đồ hoạt động của cơ cấu 69

Hình 3.22 Mô hình c ơ cấu đảo chiều bằng thay đ i tâm quay tức thời 70

Hình 3.23 Module tr ượt gắn cảm biến dò đường hàn 71

Hình 3.24 B ộ vitme – đai ốc bi 71

Hình 3.25 bi đỡ 72

Hình 3.26 Kh ớp nối trục 73

Hình 3.27 Module tr ượt gắn lên thân robot 74

Hình 3.28 Hình ảnh thực tế của module trượt 74

Hình 3.29 Mô hình 3D c ủa module 75

Hình 3.30 Thanh trượt bi gắn đầu hàn 76

Hình 3.31 Bộ điều chỉnh cao độ của đầu hàn 76

Hình 3.32 Module tr ượt gắn đầu hàn lắp lên thân robot 77

Hình 3.33 Module trượt gắn đầu hàn 77

Hình 3.34 Hình ảnh thực tế của module trượt gắn đầu hàn MIG 78

Hình 3.35 K ết cấu thiết kế hoàn chỉnh của robot 78

Hình 3.36 Kết cấu hoàn chỉnh thực tế của robot 79

Hình 3.37 Các d ạng quỹ đạo công nghệ hàn 79

Hình 3.38 Các d ạng quỹ đạo công nghệ hàn khác 80

Hình 3.39 Phương pháp gắn cơ cấu phụ tạo quỹ đạo công nghệ hàn 80

Hình 3.40 Robot hàn có g ắn bộ phận tạo qũy đạo công nghệ của Bug-O 81

Hình 3.41 Q ũy đạo công nghệ hàn được tạo ra do kết hợp chuyển động của các khớp 82

Hình 3.42 T ạo quỹ đạo zigzag bằng cách phối hợp các chuyển động của robot 83

Hình 3.43 Tạo quỹ đạo zigzag bằng cách lắc đuốc hàn 83

Hình 3.44 T ạo quỹ đạo zigzag bằng nguyên lý tay quay con trượt 84

Hình 4.1 Mô hình th ực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc 85

Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc của robot hàn 86

Hình 4.4 Teach pendant của hai công ty Kawasaki và Panasonic - Nhật Bản 88

Hình 4.5 M ối tương quan giữa quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ 88

Hình 4.6 Robot han Panasonic AW 7000 89

Hình 4.7 Sản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận văn đang hàn th ử nghiệm trên sàn bằng tôn 89

Hình 4.8 Hình ảnh Robot của đề tài 90

Hình 4.9 M ặt cắt của đường hàn vát mép chữ V 91

Hình 4.10 Đường hàn không vát mép 91

Hình 4.11 Đường hàn không vát mép 91

Hình 4.12 PA1 – Đầu dò di chuyển qua phải 92

Hình 4.13 PA1 – Đầu dò di chuyển qua trái 93

Hình 4.14 PA2 – Đầu dò di chuyển qua trái 94

Hình 4.15 PA2 – Đầu dò di chuyển qua phải 94

Hình 4.16 Nguyên lý dò đối với đường hàn không vát mép 95

Hình 4.17 Ph ương án 1 95

Hình 4.18 Qu ỹ đạo gấp khúc ở PA 1 của đầu hàn 96

Hình 4.19 Phương án 2 97

Hình 4.20 Qu ỹ đạo gấp khúc ở PA 2 của đầu hàn 98

Hình 4.21 Ph ương án 3 98

Hình 4.22 Chuyển động của đầu dò ở PA 3 99

Hình 4.23 Qu ỹ đạo gấp khúc ở PA3 của đầu hàn 99

Hình 4.24 Phương án 4 100

Hình 4.25 Chuyển động của đầu dò ở PA 4 100

Hình 4.26 Qu ỹ đạo gấp khúc ở PA 4 của đầu hàn 101

Hình 4.27 Quỹ đạo gấp khúc ở PA 5 của đầu hàn 102

Hình 4.28 Qu ỹ đạo gấp khúc ở PA 6 của đầu hàn 102

Hình 4.29 V ị trí Home 105

Hình 4.30 Tọa độ các đỉnh gấp khúc của đầu hàn 105

Hình 4.32 Lưu đồ giải thuật điều khiển với các phương án 5 và 6 108

Hình 4.33 S ơ đồ khối điều khiển động cơ 109

Hình 5.1 Sơ đồ khối điều khiển robot 110

Hình 5.2 Động cơ DC Motor TS 198 110

Hình 5.3 M ạch công suất H – Bridge 113

Hình 5.4 Hình ảnh board mạch thực tế 113

Hình 5.5 Board m ạch gắn trên thanh nhôm rail 114

Hình 5.6 Module PID điều khiển tốc độ, vị trí 115

Hình 5.7 Sơ đồ khối PID 115

Hình 5.8 S ơ đồ khối của LM629 117

Hình 5.9 Biên dạng vận tốc 117

Hình 5.10 Mạch công suất LMD18200 119

Hình 5.11 Board điều khiển PID 119

Hình 5.12 Cảm biến quang E3X-DA-S 120

Hình 5.13 S ơ đồ đấu dây cho cảm biến quang E3X-DA-S 120

Hình 5.14 Các dòng AVR khác nhau: Tiny, AVR và Mega 123

Hình 5.15 Cấu trúc của Vi điều khiển AVR 123

Hình 5.16 S ơ đồ nguyên lý điều khiển robot 125

Hình 5.17 S ơ đồ mạch điện điều khiển robot 126

Hình 5.18 Tủ điện điều khiển robot 127

Hình 5.19 Các thi ết bị giao tiếp của bộ điều khiển 127

Hình 6.1 Máy hàn MIG để hàn thử nghiệm 128

Hình 6.2 Chuẩn bị mép hàn cho hàn thử nghiệm 128

Hình 6.3 M ối hàn của mẫu thử nghiệm thứ nhất 129

Hình 6.4 Cảm biến đang dò tìm rãnh hàn ở mẫu thử thứ 2 129

Hình 6.5 Màn hình LCD hiển thị các điểm mép hàn mà cảm biến dò tìm được ở mẫu thử thứ 2 130

Hình 6.6 Mối hàn của mẫu thử nghiệm thứ 2 130

B NG TRANG

Bảng 2.1 Các yêu cầu về thành phần của dây hàn theo AWS A5.17 35

B ảng 2.2 Các yêu cầu cơ tính theo AWS A5.17 37

B ảng 2.3 các yêu cầu độ dai va đập theo AWS A5.17 37

Bảng 2.4 Thông số hàn giáp mối với tấm lót bằng đồng 41

B ảng 2.5 Thông số hàn giáp mối tấm lót bằng thép 42

B ảng 2.6 Thông số hàn hai phía tấm dày 19 ÷ 25,4 mm 43

Bảng 2.7 Thông số hàn tấm dày 32 ÷ 38 mm 43

B ảng 3.1 Các kích thước của thanh trượt bi 62

Bảng 3.2 Các kích thước của bộ vitme – đai ốc bi 71

B ảng 3.3 Các kích thước của bi đỡ 72

B ảng 3.4 Các kích thước của khớp nối trục 73

Bảng 3.5 Các kích thước của thanh trượt bi gắn đầu hàn 76

B ảng 5.1 Thông số cơ bản của Motor TS 198 111

B ảng 5.2 Thông số kỹ thuật của Motor TS 198 111

Bảng 5.3: Ký hiệu màu dây encoder của Motor TS 198 112

B ảng 5.4 Thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại E3X-DA-S 120

B ảng 5.5 Các model sợi quang phản xạ có đầu mỏng / nhỏ 122

Bảng 6.1 Bảng đánh giá khuyết tật mối hàn bằng mắt (Visual Testing – VT) 131

CH ƯƠNG 1:

T NG QUAN V ROBOT HÀN

1.1 S Ơ LƯ C V L CH S PHÁT TRI N C A NGÀNH HÀN:

Khoảng đầu thời đại đồ đồng, đồ sắt, con người đã biết hàn kim loại

Năm 1802, nhà bác học Nga Pê-tơ-rốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ

rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại, mở ra thời kỳ hàn

hồ quang tay trong ngành công nghiệp đóng tàu

Năm 1882 Kỹ sư Bê-na-đớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại

dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903

Năm 1887 Bê-na-đớt đã tìm ra phương pháp hàn điểm

Năm 1888, Sla-via-nốp đã áp dụng điện cực nóng chảy - điện cực kim loại vào

hồ quang điện, đến năm 1907, kỹ sư Thụy Điển Ken-Be đã phát hiện ra phương pháp

ổn định quá trình phóng hồ quang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác động của không khí

xung quanh bằng cách lắp lên điện cực kim loại một lớp vỏ thuốc Việc ứng dụng que

hàn bọc thuốc bảo đảm chất lượng của mối hàn

Thời kỳ phát triển cao của công nghiệp hàn đã được mở ra vào những năm cuối

30 và đầu 40 thế kỷ XX, sau những công trình nổi tiếng của viện sĩ E O Pa-tôn về

hàn dưới thuốc Phương pháp hàn bán tự động và sau đó hàn tự động dưới lớp thuốc ra

đời; sau đó nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đó là thành tựu vô cùng to

lớn của kỹ thuật hàn hiện đại Cho đến nay, hàn dưới thuốc vẫn là phương pháp cơ khí

hoá cơ bản trong kỹ thuật hàn, với những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và chất lượng

của mối hàn

Từ những năm cuối 40, các phương pháp hàn trong khí bảo vệ được nghiên cứu

và đưa vào sản xuất Hàn trong khi bảo vệ làm tăng vọt chất lượng mối hàn và hiện

nay là một trong những phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi nhất, và đặc biệt là

khả năng sử dụng dễ dàng ở nhiều tư thế hàn khác nhau

Hàn xỉ điện là một phát minh nổi tiếng nữa của tập thể Viện Hàn điện B O Pa-tô

(Ki-ép, Liên Xô) Quá trình hàn điện xỉ được các nhà bác học Xô Viết phát hiện năm

1949, nghiên cứu và đưa vào sản xuất trong những năm 50 Phương pháp hàn điện xỉ

ra đời và phát triển là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong nghành chế tạo máy móc

hạng nặng như lò hơi, tua bin, máy ép cỡ lớn, …

Các phường pháp hàn ngày càng được nghiên cứu và cải tiến để nâng cao năng

suất, hiệu quả và chất lượng mối hàn, cũng như nâng cao khả năng tự động hóa Hiện

nay, có hơn 120 phương pháp hàn khác nhau, trong đó, các phương pháp hàn được sử

dụng rộng rãi nhất là: hàn hồ quang tay, hàn bán tự động và tự động dưới lớp thuốc

đang được nghiên cứu và đưa vào sản xuất như: hàn bằng tia điện tử (electron beam

welding), laser beam, hàn siêu âm, hàn plasma hồ quang, v.v…

dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là

trong nghành du hành vũ trụ Có thể nói hàn là một phương pháp gia công kim loại

tiên tiến và hiện đại

Hàn ở Việt Nam cũng đã xuất hiện từ thời thượng cổ, hồi đó ông cha ta dã biết sử

dụng hàn để làm ra những dụng cụ cần thiết phục vụ cho đời sống và cải tiến điều kiện

lao động

Trước cách mạng tháng tám, môn hàn rất ít được ứng dụng Sau cách mạng tháng

tám và trong thời kỳ kháng chiến, môn hàn được phát triển hơn, nó đã đóng góp vào

nền công nghiệp quốc phòng mới mẻ của chúng ta Sau hòa bình chúng ta đã sử dụng

hàn rất nhiều trong cuộc cách mạng kỹ thuật và xây dựng nền kinh tế xã hội chủ nghĩa

Nhiều công trình đồ sộ đã mọc lên sử dụng nhiều đến hàn như lò cao khu gang thép

Thái Nguyên, nhà công nghiệp, tàu bè, nồi hơi v.v Tuy vậy việc nghiên cứu áp dụng

các phương pháp hàn tiên tiến còn gặp nhiều khó khăn và chưa đủ điều kiện để phát

triển mạnh mẽ

Với lực lượng cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề ngày càng

đông đảo, chúng ta tin chắc rằng, kỹ thuật hàn ở Việt Nam sẽ ngày càng phát triển và

được ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất

ương pháp hàn

1.2 ROBOT HÀN:

1.2.1 ng d ng c a robot hàn trong s n xu t:

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng nhiều trong lĩnh vực dưới góc

độ thay thế con người Nhờ vậy, dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và

hiệu quả tăng lên rõ rệt

chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của

sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ

vào các khả năng to lớn của robot như:

+ Làm việc không biết mệt mỏi

+ Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo

+ Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao

+ Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn

+ …

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ

hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp

sản phẩm, …

Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong ngành công

nghiệp sản xuất ô tô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu trong số đó như Hoa

dụng trong các ngành đóng tàu biển, chế tạo máy

ng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp Gần 25% robot công

nghiệp là robot hàn Các robot lắp ráp chiếm 33% dân số robot trên thế giới, có mặt

nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều

nhất: Mỗi khung xe được cố định vào một palette và được điều khiển di chuyển khắp

nhà máy Khi khung xe đến trạm hàn, bộ phận kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị

trí cần thiết, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước

(H 1.2)

Hình 1.2 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi

đường dẫn liên tục - còn gọi là hàn đường

cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi

trường khắc nghiệt do khói và nhiệt phát ra trong quá trình hàn

Hình 1.3 Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC

Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ

thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại Những hệ thống hàn

đường thực tế (H 1.3) phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết

được hàn và sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước u điểm so

với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn đuợc ổn định Người vận hành chỉ thực hiện

công việc là kẹp chặt các chi tiết và lấy sản phẩm sau khi hàn xong

Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai trong

chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không

đồng dạng Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt là đối với

các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng

đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất

lượng mối hàn lại tăng Đây cũng chính là mục tiêu của luận văn

1.2.2 Các d ng Robot hàn:

Trong ngành công nghiệp sản xuất chế tạo, tuỳ vào đặc thù của từng lĩnh vực và

từng loại sản phẩm mà ta sử dụng các dạng robot khác nhau đây, có thể chia làm 2

dạng robot hàn:

1 D ng tay máy công nghi p:

Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay, có khớp tịnh tiến hoặc xoay Loại robot

tọa độ 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 Những tay máy công nghiệp sử dụng trong công nghiệp hàn thường

được thiết kế có 6 bậc tự do

Để thực hiện các công nghệ hàn khác nhau ta chỉ cần gắn đầu hàn (torche) ở khâu

cuối

Hình 1.5 Đầu hàn MIG/MAG có ly hợp chống va đập

Tuy nhiên, tay máy công nghiệp có phạm vi hoạt động bị giới hạn nên không thể

thực hiện hàn những đường hàn dài

2 D ng robot t hành có ray d n h ng hay hoàn toàn t đ ng:

Được sử dụng khi yêu cầu cần hàn những đường hàn dài (theo cả 2 phương

ngang và đứng) vượt khỏi tầm với của tay máy công nghiệp hay những chi tiết hàn đặt

ở vị trí xa nhau mà không cần dùng nhiều tay máy hàn

Hình 1.6 Robot hàn v ới ray trượt nằm ngang

Hình 1.7 Robot hàn với ray trượt trên trần và trên vách

Hình 1.8 Robot hàn ray trượt đứng và ray trượt cong của hãng Bug-O

Hình 1.9 Robot hàn t ự hành hoàn toàn tự động

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN C U:

Nhi u công ty hàng đ u th gi i nh : ABB, FANUC, PANASONIC,

KAWASAKI, KUKA MOTOMAN, …đã ch t o các thi t bị hàn t bán t đ ng

đ n t đ ng các robot hàn và tri n khai ng d ng robot hàn trong công nghi p:

Hình 1.10 Robot hàn của hãng ABB

Hình 1.11 Robot hàn tự hành của hãng Ishimatsu

Hình 1.12 Robot hàn cắt tự hành của hãng Bug-O

Trong các t p chí khoa học có uy tín v lƿnh v c robot, nhi u công trình đã

đ c công b và tri n khai:

- Sadek C A Alfaro, Paul Drews, Intelligent, Systems for Welding Process

Automation, J of the Braz Soc of Mech Sci & Eng , Vol XXVIII, No 1,

January-March 2006

Bài viết này trình bày và đánh giá các khái niệm và thực hiện hai hệ thống riêng

biệt đa cảm biến cho hệ thống sản xuất tự động dựa trên phần cứng song song Trong

việc thực hiện tinh vi nhất, 12 bộ vi xử lý đã được tích hợp trong một hệ thống đa cảm

biến song song Một số nút chuyên biệt trong mạng thần kinh nhân tạo (Artificial

Neural Network) được sử dụng để cải thiện phép quang trắc dựa trên những tính toán

hiện của các đơn vị xử lý phân tán và thông minh, nó đã chỉ ra rằng kiến trúc song

song có thể cung cấp lợi thế đáng kể so với các hệ thống dựa trên các bus dữ liệu

thông thường Bài viết kết luận với sự so sánh trong những khía cạnh chính của phần

mềm trung gian và thực hiện dựa trên DSP-robot cảm biến hướng dẫn

Hình 1.13 Các đơn vị chính của hệ thống hàn đa cảm biến

- Kyu-Yeul Lee, Tae-Wan Kim, Jongwon Kim, Nam-Kug Ku, Heonyoung Lim,

Jongjin Woo, Sang Moo Lee, Soo-ho Kim, Modularized Control Architecture of an

Embedded Controller for Mobile Welding Robot in the Shipyard, Proceedings of the

17th World Congress, The International Federation of Automatic Control Seoul,

Korea, July 6-11, 2008

Nghiên cứu này mô tả sự phát triển của phần cứng điều khiển và phần mềm điều

khiển một robot hàn di động, có thể di chuyển theo hướng ngang và dọc (bộ phận di

chuyển), thực hiện các nhiệm vụ hàn các bộ phận hình chữ U và các bộ phận khung

trong cấu trúc thân tàu (Nhiệm vụ hàn), và phát hiện các điểm của đường hàn (bộ phận

cảm biến) Bộ phần cứng điều khiển bao gồm một bộ điều khiển chính và một bộ điều

khiển máy hàn Bộ điều khiển chính được gắn trên robot hàn di động, bao gồm một

Bộ điều khiển máy hàn được gắn trên máy hàn nằm ở bên ngoài để điều khiển máy

hàn Giao tiếp giữa hai bộ điều khiển được thực hiện thông qua cổng RS485 Phần

mềm điều khiển bao gồm 4 lớp: lớp quản lý, lớp lên kế hoạch, lớp đưa ra các hoạt

động, và lớp chấp hành Mỗi lớp bao nhiều gồm module như module hoạt động,

các phần mềm điều khiển để thực hiện các nhiệm vụ cần thiết Phần mềm điều khiển

được phát triển bằng cách sử dụng lập trình C theo hệ điều hành QNX, được biết đến

để có một hiệu suất đáng tin cậy ứng với thời gian thực

Hình 1.14 Cấu hình của bộ điều khiển nhúng cho các robot hàn di động 'RRX3'

- Zhiguo Yan, De Xu, Yuan Li, and Min Tan, A Vision-Based Seam Tracking

System for Submerged Arc Welding, Robot Weld., Intellige & Automation, LNCIS

362, pp 349–357, 2007

Theo dõi đường hàn là một vấn đề quan trọng trong hàn tự động Trong bài báo

này, hệ thống theo dõi dựa trên kết cấu ánh sáng tia laser được trình bày như H 1.15

Bài viết thảo luận về cấu trúc của hệ thống này, và cũng giải thích nguyên tắc làm việc

của hệ thống đặc biệt là các thuật toán xử lý hình ảnh Các thí nghiệm hàn mặt ngoài

ống thép cho thấy rằng hệ thống này là rất mạnh mẽ với các môi trường khác nhau và

nó có thể nâng cao hiệu quả hàn rất nhiều

Hình 1.15 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 1.16 Cảm biến thị giác

quá trình hàn, các diode laser tạo ra một mặt phẳng chùm tia sáng Khi mặt phẳng tia

sáng laser được chiếu lên phôi, sẽ có một sọc laser trên bề mặt của phôi Và hình dạng

của dải tia laser phản ánh thông tin của đường hàn Sau đó, một máy ảnh chụp hình

ảnh của dải thông qua một bộ lọc quang học được đặt dưới máy ảnh Chỉ có ánh sáng

có bước sóng từ 650 nm ÷ 690 nm có thể đi qua bộ lọc này (của laser bước sóng 670

nm) Vì vậy, đèn chiếu sáng dự phòng được loại bỏ và chất lượng của hình ảnh được

cải thiện theo cách này Sự liên kết giữa các môđun cảm biến hình ảnh và xử lý hình

ảnh các môđun được hoàn thành bằng hình ảnh thu được Nó chuyển dữ liệu từ các

camera CCD tới các tín hiệu kỹ thuật số trong máy tính điều khiển công nghiệp

- Yuan Li, De Xu, Zhiguo Yan, and Min Tan, Girth Seam Tracking System Based

on Vision for Pipe Welding Robot, Robot Weld., Intellige & Automation, LNCIS

362, pp 391–399, 2007

đường ống được trình bày Đầu tiên, các cảm biến thị giác được thiết kế dựa trên phân

tích tia phản xạ laser trên bề mặt kết cấu hàn và mối quan hệ vị trí của máy ảnh, mặt

phẳng tia laser và kết cấu hàn cho tác dụng của hình ảnh sọc laser Các thuật toán xử lý

hình ảnh và các tính năng khai thác được phát triển trong trường hợp tia phản xạ nhiều

lần xáo trộn nhiều trong hình ảnh đường hàn Việc thử nghiệm một con robot hàn

đường ống đã được tiến hành để xác minh tính hiện thực của đề tài này

Hình 1.17 Cấu trúc của robot hàn ống của đề tài

Robust Control of Welding Robot for Tracking a Rectangular Welding Line,

International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol 3 No 3, 2006

Bài viết đưa ra phương pháp điều khiển một robot hàn (WR) để khâu cuối của nó

để đi theo một đường hàn hình chữ nhật (RWL) WR bao gồm năm thiết bị truyền

động sử dụng một động cơ DC như một nguồn năng lượng Hai bộ điều khiển được đề

xuất để kiểm soát khâu cuối của WR: một bộ điều khiển chính và một bộ điều khiển

servo Thứ nhất, dựa trên phương trình động học của WR và các lỗi thông tin phản hồi

của nó bằng cách sử dụng phương pháp hồi tiếp bước (backstepping), bộ điều khiển

chính này được đề xuất để thiết kế các yếu tố đầu vào chuẩn cho các thiết bị truyền

động của WR để khâu cuối của WR đi theo RWL Thứ hai, dựa trên phương trình

động năng của thiết bị truyền động WR, bộ điều khiển servo được thiết kế bằng cách

điều khiển kết hợp với bộ điều khiển chính và các bộ điều khiển servo làm cho khâu

cuối của WR đi theo RWL

Hình 1.18 Đường hàn hình chữ nhật (RWL)

Hình 1.19 Mô hình nguyên lý của Robot

Hình 1.20 Mô hình thực tế của robot

quốc tế về khoa học và kỹ thuật cơ khí (KSME), tập 19, số 3, trang 756-767, 2005

+ Đề tài đưa ra một mô hình động học của bệ đỡ (platform) tự hành và tay

máy mang đuốc hàn gắn trên bệ đỡ, xem hai bộ phận này như hai hệ thống riêng

biệt

+ Thiết kế 2 bộ điều khiển một cách độc lập cho bệ đỡ tự hành và tay máy,

mối quan hệ giữa 2 bộ điều khiển là vận tốc của bệ đỡ và tay máy

+ Luật điều khiển dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov

- Yang Bae Jeon, Sang Bong Kim, Soon Sil Park, Modeling and Motion Control

of Mobile for Lattice Type Welding, Tạp chí quốc tế KSME, tập 16, số 1, trang 83-93,

2002

+ Xét bài toán điều khiển robot không nhiễu hệ thống và nhiễu ngoài

+ Điều khiển đường hàn thồng qua 2 bánh xe robot bằng biến đổi hồi tiếp

biến trạng thái

+ Điều khiển mối hàn thông qua cần hàn bằng thuật toán PID

+ Chỉ hàn theo đường thẳng và đường cong với thông số vận tốc dài bằng 0

Nonlinear Control of a Two-Wheeled Welding Mobile Robot, Tạp chí quốc tế về hệ

thống điều khiển tự động, tập 1, số 1, 3/2003

+ Xét bài toán điều khiển robot thông qua đặc tính động học, không nhiễu

hệ thống và nhiễu ngoài

+ Đề xuất cơ cấu đo sai số đường hàn và đưa ra luật điều khiển theo các sai

số đo được đó dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov

+ Chỉ điều khiển bám theo đường hàn có vận tốc thay đổi góc nghiêng cố

định

of Two-Wheeled Welding Mobile Robot with Smooth Curved Welding Path, Tạp chí

quốc tế KSME, tập 17, số 11, trang 1682-1692, 2003

+ Xét bài toán điều khiển robot thông qua đặc tính động lực học, nhiễu hệ

thống là momen quán tính của robot

+ Đưa ra luật điều khiển dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov có ước

lượng thông số momen quán tính

+ Chỉ điều khiển bám theo đường hàn có vận tốc thay đổi góc nghiêng cố

định

Myung Suck Oh, Two-Wheeled Welding Mobile Robot for Tracking a Smooth Curved

Welding Path Using Adaptive Sliding-Mode Control Technique, Tạp chí quốc tế về hệ

thống điều khiển tự động, tập 5, số 3, trang 283-294, 6/2007

+ Xét bài toán điều khiển robot thông qua đặc tính động học và lực học,

nhiễu là sai số đo giữa đầu hàn và đường hàn

+ Đưa ra luật điều khiển mặt trượt cho các sai số đo và có ước lượng nhiễu

Hình 1.21 Mô hình nguyên lý của robot hàn di động dùng để hàn góc

Hình 1.22 Mô hình thực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc

M t s tài li u, đ tài và lu n văn nghiên c u v robot ph c v cho công

nghi p hàn:

Mobile Robot, Bài báo khoa học, 2002

Bài báo đề nghị một một phương pháp đơn giản dùng để gỡ xỉ hàn tự động Hệ

thống bao gồm một robot di động 3 bánh xe và một dụng cụ để gỡ xỉ hàn (đĩa dỡ xỉ

hàn) Robot di động được điều khiển bằng bộ điều khiển đơn giản dựa trên tiêu chuẩn

ổn định Lyapunov

- PGS TS Lê Hoài Quốc và đồng sự, Nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot phục vụ

các quá trình s ản xuất trong các điều kiện độc hại và không an toàn, 2004

Đề tài có 5 hạng mục phần cứng:

+ Robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần

+ Robot hàn

+ Robot Crane

+ Tay máy phục vụ trong dây chuyền sản xuất đạn, thuốc nổ

+ Tay máy gắp sản phẩm nhựa (theo phương ngang và phương đứng)

Trong đó, robot hàn có trọng lượng khoảng 300 kg, được dùng để hàn hồ quang,

cắt kim loại bằng gas, plasma, phun phủ Đầu hàn được lắp trên robot và được điều

khiển tự động theo yêu cầu của mối hàn Robot hàn có thể hàn được các quỹ đạo cong

liên tục, nhiều chiều trong không gian Robot hàn không chỉ để hàn mà còn để cắt kim

loại rất có hiệu quả Robot có thể cắt bằng plasma có độ chính xác rất cao Robot này

đang được triển khai thử nghiệm tại Nhà máy đóng tàu Hà Nội (Thanh Trì)

Một số hình ảnh về kết quả đề tài:

a)

b) c)

d) e)

Hình 1.24 Hình ảnh các robot của đề tài a) Robot hàn đang thử nghiệm tại Nhà máy đóng tàu Hà Nội; b) Robot vạn năng cấp phôi cho

máy tôi cao tần; c) Tay máy gắp sản phẩm nhựa; d) Robot Crane; e) Tay máy phục vụ trong

dây chuyền sản xuất thuốc nổ

l ượng của công đoạn hàn vỏ tàu với robot tự hành trên đường ray, Bài báo khoa học,

2004

Đề tài đưa ra giải pháp đề nghị:

+ Robot di động chạy trên ray có tiết diện chữ I Ray được chế tạo thành

các đoạn dài 1 m và được nối với nhau bằng các bulông-đai ốc Toàn bộ ray được

cố định bằng các nam châm vĩnh cửu vào mạn tàutheo phương Y

+ Phần bệ tay hàn phía trên có khả năng chuyển động theo phương dọc tàu

(phương X), để đầu hàn có khả năng bám theo đường hàn Đầu hàn có khớp quay

có thể lắc ngang trong phương X Cấu trúc robot mô tả ở H 1.25

Hình 1.25 Sơ đồ cấu trúc của robot hàn

1 Thân tàu; 2 Đường ray; 3 Đường dẫn; 4 Thân robot; 5 Đầu hàn; 6 Tay hàn; 7 Bánh

xe; 8 Bệ tay hàn; 9 Cảm biến; 10 Động cơ; 11 Trục vít me

+ Vết cần hàn được nhận biết nhờ băng dính có chiều rộng b được dán trên

photodiode loại quang trở được bố trí ở hai mép trong và hai mép ngoài của băng

dính cho phép nhận biết được sự thay đổi theo phương ngang (X) của băng dính

(tức là của vết hàn) khi cho robot dịch chuyển theo phưong dọc (Y) (H 1.25)

Tín hiệu sai lệch từ cảm biến sẽ được xử lý và đưa về bộ vi điều khiển kích họat

động động cơ (10) (H 1.25) chuyển động tương ứng để khắc phục sai lệch

Khoảng cách giữa hai đường ray được xác định thích hợp, sao cho luôn luôn bao

được toàn bộ sự thay đổi theo phương ngang của vết băng dính và một khoảng

dự trữ cần thiết cho chuyển dịch theo phương X của bàn trượt mang đầu hàn

a) b)

Hình 1.26 Nguyên lý hoạt động của robot a) Sơ đồ bố trí robot hàn trên thân tàu; 1 - Đường hàn; 2 Thân tàu; 3 Robot hàn; 4

Đường ray; 5 Đường dẫn song song với đường hàn; 6 Nam châm vĩnh cửu; 7 Đầu hàn;

8.Tời kéo; b) Sơ đồ bố trí cảm biến nhận dạng đường dẫn song song với vết hàn; 1 cảm biến

photodiode; 2 Đường dẫn (dải băng dính) song song với vết hàn

Đề tài cũng đã tiến hành khảo sát thực nghiệm và có kết quả như sau: Khi cho

robot chuyển động dọc trên ray với tốc độ 3 m/phút, lớn gấp 3 lần tốc độ hàn tay (1

m/phút) sai số đáp ứng trong quá trình dịch chuyển của bàn trượt nhờ bộ cảm biến

quang trở cảm nhận sự thay đổi vị trí theo phương ngang của băng dính luôn nằm

trong bề rộng a của vết hàn với dung sai cho phép ±Δa Điều này cho phép đảm bảo độ

chính xác của mối hàn

- Trần Đình Trọng, Lê Hoài Quốc, Nghiên cứu xây dựng quỹ đạo công nghệ cho

robot hàn, Bài báo khoa học, 2005

+ Nghiên cứu quỹ đạo lấy mẫu và xây dựng rãnh hàn

+ Xây dựng quỹ đạo công nghệ dựa trên một số dạng patterns cụ thể

+ Lập trình tính toán quỹ đạo công nghệ bằng Visual C++

pattern, mô phỏng minh họa quỹ đạo công nghệ và chuyển giao dữ liệu tính toán

cho chương trình điều khiển robot hàn

Hình 1.27 Mối tương quan giữa quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ

Tuy nhiên đề tài mới chỉ nghiên cứu xây dựng quỹ đạo công nghệ cho robot hàn

dạng tay máy với 6 bậc tự do

Hình 1.28 Robot han Panasonic AW 7000

đường cong phức tạp, Luận văn cao học chế tạo máy, Đại học Thái Nguyên, 2009

Luận văn trình bày việc truyền dữ liệu từ máy tính sang Robot qua cổng RS45

bước đầu đã đạt được kết quả như ý muốn, đã thực hiện hàn thử nghiêm một số đường

cong như: hàn đường tròn, đường parabol, đường sin

Hình 1.29 Robot hàn Almega AX-V6

Luận văn trình bày phương pháp để thực hiện các đường hàn (điển hình là các

đường cong phức tạp như đường tròn, parabol, đường sin,…) trên Robot hàn Almega

AX-V6 là theo trình tự các bước sau:

+ Kết nối mạng LAN giữa bộ điều khiển Controller Robot và máy tính

+ Sử dụng phần mềm điều khiển AX-OT để lập trình cho Robot

+ Sử dụng phần mềm AX-PM để Upload các file từ máy tính sang bộ điều khiển

của Robot

+ Check chương trình đã Upload trên Robot trước khi hàn

+ Thực hiện hàn thực tế

chuyên dùng hàn các đường cong phẳng trong mặt phẳng ngang, Luận văn Cao học

Một số kết quả đạt được của luận văn:

+ Chế tạo và chạy thử mô hình robot hàn tự hành chạy bằng bánh xe hàn

các đường cong phẳng trong mặt phẳng nằm ngang

+ Xây dựng được phương pháp nhận biết đường hàn

+ Đường hàn tương đối thẳng đều

+ Kích thước gọn nhẹ, dễ vận chuyển

+ Giá thành tương đối rẻ so với robot nhập ngoại

Các vấn đề còn hạn chế của đề tài luận văn trên:

+ Robot di chuyển bằng bánh xe tiếp xúc trực tiếp với sàn nên khó cân

chỉnh và đảm bảo phương di chuyển sẽ thẳng

+ Phương di chuyển sẽ phụ thuộc rất nhiều vào bề mặt sàn

+ Cảm biến khó điều chỉnh và giá thành còn cao

+ Độ ổn định về mặt điều khiển còn thấp do sử dụng vi điều khiển thế hệ

cũ

+ Không có chế độ “Dry run” chuyên dùng để hàn các đường thẳng

+ Các module trượt không có bộ phận che chắn nên giảm tuổi thọ khi làm

việc trong môi trường công nghiệp

Hình 1.30 Sản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận

văn đang hàn thử nghiệm trên sàn bằng tôn

- Lê Công Danh, Nghiên c ứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn tự vận hành

chuyên dùng hàn ghép mí các đường cong phẳng trong mặt phẳng đứng, Luận văn cao

học chế tạo máy, Đại Học Bách Khoa TP HCM, 2008

Một số kết quả đạt được của luận văn:

+ Thiết kế, chế tạo mô hình robot hàn tự hành để hàn các đường cong phẳng

trong mặt phẳng thẳng đứng

+ Thiết kế, chế tạo ray dẫn hướng giúp robot bám và di chuyển trên mặt

phẳng thẳng đứng

+ Robot nhỏ gọn và dễ di chuyển

+ Xây dựng, đưa ra giải pháp nhận dạng quỹ đạo đường hàn cho trước

+ Thiết kế, chế tạo cụm quỹ đạo tạo công nghệ hàn

+ Đánh giá kết quả thực nghiệm trên sản phẩm thật

+ Có chế độ “Dry run” dùng để hàn các đường thẳng

Một số hạn chế của đề tài:

+ Nam châm gắn trên ray còn yếu, chưa đáp ứng được yêu cầu

+ Ray được chế tạo từ inox định hình rời nên chất lượng chưa đồng đều,

chưa linh hoạt trong việc nối các ray lại với nhau

+ Quỹ đạo công nghệ hàn chỉ mới tạo ra được hình zigzag

+ Chương trình điều khiển chưa được linh hoạt để điều chỉnh các thông số

robot và điều chỉnh thông số hàn

Hình 1.31 Hình ảnh Robot của đề tài

Bên cạnh các mẫu robot tĩnh tại được sử dụng trong sản xuất công nghiệp, trong

thời gian gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng robot di động trong sản xuất công

nghiệp ngày càng phát triển Robot di động được trang bị các thiết bị nhận dạng âm

thanh, hình ảnh, khoảng cách, … và đòi hỏi phải dùng các phương pháp điều khiển

tinh vi hơn Những vấn đề nghiên cứu trên robot di động đem lại nhiều kết quả khả

quan trong việc ứng dụng vào công nghiệp, an ninh quốc phòng, …; những robot cứu

hộ của Viện Điện tử tin học và tự động hoá (Vielina), robot quay phim của Đại học

Bách Khoa TP HCM, …

Tuy nhiên, cho đến nay đa số các nghiên cứu về robot hàn chỉ đứng ở kết quả

nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, vì việc đưa sản phẩm vào ứng dụng trong thực tế

gặp nhiều vấn đề như thiết bị đắt tiền, duy tu, bảo trì các cảm biến khó khăn, …

Nguyên nhân chính của những khó khăn trên là cảm biến dùng để dò đường hàn Các

cảm biến dùng dò trực tiếp đường hàn như: laser beam, camera đặc biệt, cảm biến siêu

âm độ chính xác cao, … có giá thành rất cao

1.4 M C TIÊU NGHIÊN C U VÀ GI I H ẠN C A Đ TÀI:

1.4.1 M c tiêu nghiên c u:

Qua việc tìm các vấn đề tổng quan đã về Robot hàn được trình bày ở trên, ta có

- Robot hàn được tự động ở khâu duy trì nguồn nhiệt hàn (Hồ quang, khí, laser,

Robot hàn đều giống nhau, khâu thú 2 thì khác nhau

- các đề tài nghiên cứu trước, các robot chủ yếu hàn theo các đường hàn cố

định đã được lập trình sẵn hoặc có một số đề tài có các phương pháp nhận diện mối

hàn nhưng lại bằng phương pháp cơ khí nên không có sự linh hoạt hoặc chỉ hàn được

với dạng đường hàn thẳng

- Từ hạn chế ở trên, nếu ta xây dựng phương pháp nhận diện mối hàn tự động

bằng các cảm biến, rồi sau đó điều khiển đầu hàn di chuyển theo quỹ đạo hàn đã được

nhận diện tự động thì robot hàn sẽ rất linh hoạt, có thể hàn các đường cong bất kì mà

không phải mất công lập trình lại, sẽ tăng năng suất lên rất nhiều Mục tiêu này cũng

chính là mục tiêu của luận văn: “Thi t k - ch t o th nghi m Robot hàn t đ ng

nh n di n m i hàn”

1.4.2 Gi i h n c a đ tài:

Robot hàn của đề tài chỉ hàn được những đường cong phẳng và đường cong này

nằm trong 2 đường thẳng song song cách nhau một khoảng 270 mm (H 1.32)

Phương pháp hàn được sử dụng là hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc bảo vệ

Mối nối được thực hiện bằng hàn gọi là mối nối hàn Mối nối hàn là mối nối liền

không tháo rời được Vị trí nối các chi tiết gọi là mối hàn

- Kim loại cơ bản:

Vùng kim loại không bị tác dụng của nhiệt trong qua trình hàn

2 S t o thành b hàn:

Khi hàn nóng chảy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt làm cạnh hàn và kim loại phụ

nóng chảy tạo nên bể kim loại lỏng Bể kim loại đó gọi là bể hàn hay vũng hàn

Trong quá trình hàn, bể hàn cũng dịch chuyển theo nguồn nhiệt hàn Bể hàn được

chia làm hai phần: phần đầu và phần đuôi

Hình 2.2 Bể hàn

- Phần dầu bể hàn:

phần này xảy ra quá trình nóng chảy của kim loại cơ bản và kim loại điện cực

Theo sự dịch chuyển của nguồn nhiệt, tất cả các kim loại ở phía trước bị nóng chảy

- Phần đuôi bể hàn:

phần này xảy ra quá trình kết tinh của kim loại lỏng bể hàn để tạo nên mối hàn

Trong quá trình hàn, kim loại lỏng trong bể hàn luôn chuyển động và xáo trộn

không ngừng Sự chuyển động của kim loại lỏng trong bể hàn là do tác dụng của áp

lực dòng khí lên bề mặt kim loại lỏng và do tác dụng của lực điện từ Điều này làm

cho kim loại lỏng trong bể hàn bị đẩy về phía ngược với hướng chuyển dịch của nguồn

nhiệt và tạo nên chỗ lõm trong bể hàn

Hình dạng và kích thước của bể hàn phụ thuộc vào:

+ Công suất của nguồn nhiệt

+ Chế độ hàn

+ Tính chất lý nhiệt của kim loại vật hàn

Hình dạng của bể hàn được đặc trưng bởi các đại lượng: b - Chiều rộng bể hàn, h

- Chiều sâu nóng chảy, l - Chiều dài bể hàn

Hình 2.3 Hình dạng và kích thước của bể hàn

Tỷ số giữa chiều rộng và chiều dài bể hàn gọi là hệ số hình dạng của bể hàn: φ =

b/l Hệ số hình dạng của bể hàn có ảnh hưởng lớn đến quá trình kết tinh, do đó ảnh

hưởng đến chất lượng mối hàn Nếu b/l lớn (bể hàn rộng) thì điều kiện kết tinh tốt, sau

khi kết tinh nhận được mối hàn có chất lượng cao Ngược lai, nếu b/l nhỏ thì sau khi

kết tinh có thể gây ra nứt ở trục mối hàn

3 S dịch chuy n c a kim lo i l ng t đi n c c vào b hàn:

Sự dịch chuyển của kim loại lỏng từ điện cực và bể hàn không những ảnh hưởng

đến sự tạo thành mối hàn, mà còn ảnh hưởng đến thành phần và chất lượng mối hàn

Khi hàn hồ quang, dù hàn bằng phương pháp nào và hàn ở bất kỳ vị trí nào thì

kim loại lỏng cũng đều chuyển dịch từ que hàn vào bể hàn dưới dạng những giọt kim

loại có kích thước khác nhau Sự chuyển dịch của kim loại lỏng từ que hàn vào bể hàn

là do các yếu tố sau:

- Trọng lực của giọt kim loại lỏng:

Những giọt kim loại được hình thành ở mặt đầu que hàn, dưới tác dụng của trọng

lực sẽ dịch chuyển từ trên xuống dưới theo phương thẳng đứng vào bể hàn

Lực trọng trường chỉ có tác dụng làm chuyển dịch các giọt kim loại lỏng vào bể

hàn khi ở vị trí sấp, còn khi hàn ngửa yếu tố này hoàn toàn không thuận lợi

- Sức căng bề mặt:

khuynh hướng tạo cho bề mặt kim loại lỏng có một năng lượng nhỏ nhất, tức là làm

cho bề mặt kim loại lỏng thu nhỏ lại Muốn vậy thì những giọt kim loại lỏng phải có

dạng hình cầu Những giọt kim loại lỏng hình cầu chỉ mất đi khi chúng rơi vào bể hàn

và bị sức căng bề mặt của bể hàn kéo vào thành dạng chung của nó

- Lực từ trường:

Dòng điện khi đi qua điện cực sẽ sinh ra một từ trường Lực của từ trường này ép

lên que hàn làm cho ranh giới giữa phần rắn và phần lỏng của que hàn bị thắt lại

Hình 2.4 Tác dụng của lực từ trường ép lên que hàn