Nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế và xây dựng chiến lược điều khiển cho một robot hàn di động dạng tự hành chuyên dùng cho các mối hàn đứng ở mạn tàu nơi thường rất khó thao tá

NGHIÊN CỨU, ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN DI ĐỘNG

TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY

Chuyên ngành : Cơ điện tử

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA 1

LỜI CAM ĐOAN 5 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6 

MỞ ĐẦU 8 

CHƯƠNG 1 10 

TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TRONG NGÀNH ĐÓNG TÀU 10 

1.1 Tổng quan về robot hàn 10 

1.1.1 Ứng dụng robot trong lĩnh vực hàn 10 

1.1.2 Các hình thức hàn và dạng điều khiển của robot 11 

1.1.3 Đặc tính kỹ thuật robot hàn và thông số đường hàn 12 

1.2 Giới thiệu về robot hàn đường trong công nghiệp đóng tàu 13 

1.2.1 Robot hàn tự hành bán tự động chạy trên ray dẫn 13 

1.2.2 Robot hàn tự hành tự động hoàn toàn chạy trên ray dẫn .14 

1.2.3 Robot hàn tự hành kiểu dạy học chạy trên ray dẫn 17 

CHƯƠNG 2 19 

XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT 19 

2.1 Thiết kế kết cấu 19 

2.1.1 Ray trượt 19 

2.1.2 Kết cấu 20 

2.1.3 Tính chọn sơ bộ công suất động cơ trục đứng 21 

2.1.4 Tính chọn sơ bộ động cơ 2 trục ngang 22 

2.1.5 Thiết kế cơ cấu nhận dạng quỹ đạo hàn tự động dùng cảm biến khoảng cách 22 

2.2 Bài toán động học 24 

2.2.1 Cấu trúc động học robot 24 

2.2.2 Bài toán động học thuận 26 

2.2.3 Bài toán động học ngược 27 

2.3 Bài toán động lực học 30 

2.3.1 Cơ sở lý thuyết 30 

2.3.1.1 Biểu thức động năng 30 

2.3.1.2 Biểu thức thế năng 32 

2.3.1.3 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ bằng phương pháp Lagrange loại hai 32 

2.3.2 Bài toán động lực học 33 

2.3.2.1 Bài toán động lực học thuận 33 

2.3.2.2 Bài toán động lực học ngược 33 

2.3.3 Tính động năng của máy 34 

2.3.4 Tính thế năng của robot 37 

2.3.5 Lập phương trình vi phân động lực học và giải bài toán động lực học của robot 37 

2.3.6 Động lực học robot 39 

CHƯƠNG 3 44 

XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT 44 

3.1 Sử dụng cảm biến khoảng cách laser tìm profile mặt cắt ngang đường hàn 44 

3.1.1 Giới thiệu cảm biến khoảng cách dùng tia laser 44 

3.1.2 Phương pháp tạo các profile cắt ngang đường hàn 45 

3.2 Số hóa tín hiệu thu được và lọc nhiễu 47 

3.3 Tìm ma trận điểm chốt 49 

CHƯƠNG 4 51 

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 51 

4.1 Thiết kế bộ điều khiển động cơ bước độ chính xác cao 51 

4.4.1 Cơ bản về động cơ bước 51 

4.1.2 Các phương pháp điều khiển động cơ bước 55 

4.1.2.1 Phương pháp băm xung duy trì tần số không đổi 56 

4.1.2.2 Phương pháp băm xung duy trì thời gian nghỉ T off không đổi 63  4.1.2.3 Phương pháp băm xung tần số tự do 63 

4.1.3 Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước 64 

4.1.3.1 Giới thiệu IC điều khiển động cơ bước chuyên dụng A3896 64 

4.1.3.2 Mạch điều khiển động cơ bước thực tế 68 

4.2 Thiết kế bộ điều trung tâm 70 

4.2.1 Vi điều khiển DsPic 30F4011 70 

4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển 71 

KẾT LUẬN 73 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 

Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối sách tôi đảm bảo rằng không sao chép các công trình của người khác Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Học viên thực hiện

Trần Việt Tiến

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 – Máy hàn bán tự động 14 

Hình 1.2 – Robot hàn tự động dò quỹ đạo hàn chuyên dụng 16 

Hình 1.3 – Cấu trúc hệ thống nhận dạng và sử lý quỹ đạo đường hàn dùng cảm biến khoảng cách laser và camera CMOS 17 

Hình 1.4 – Một loại robot hàn tự động chế tạo trong nước 18 

Hình 2.1 – Ray trượt 20 

Hình 2.2 – Kết cấu tổng quan 21 

Hình 2.3 – Sơ đồ cơ cấu nhận dạng quỹ đạo 23 

Hình 2.4 – Cấu trúc động học 24 

Hình 2.5 Quỹ đạo chuyển động của mũi súng hàn 27 

Hình 2.6: Đồ thị vận tốc và gia tốc các khâu trong bài toán động học thuận 30 

Hình 2.7: Mô hình cơ hệ có n bậc tự do 31 

Hình 2.8: Đồ thị lực tại các khâu trong bài toán động lực học ngược 41 

Hình 2.9: Đồ thị vận tốc và gia tốc các khâu trong bài toán động học ngược cho chuyển động thẳng 43 

Hình 3.1: Cảm biến khoảng cách laser CP24MHT80 44 

Hình 3.2: Sử dụng cảm biến laser tìm profile biên dạng hàn 46 

Hình 3.3: Tập hợp điểm thu được sau quá trình quét bề mặt vật hàn bằng cảm biến khoảng cách 46 

Hình 3.4: Tín hiệu thu được khi chưa lọc 47 

Hình 3.5: Tín hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc thông thấp điện tử 48 

Hình 3.6: Tín hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc số 48 

Hình 3.7: Tín hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc số 50 

Hình 4.1: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu 52 

Hình 4.2: Cấu tạo động cơ bước từ trở thay đổi 53 

Hình 4.3: Cấu tạo động cơ bước rạng stator nhiều tầng 54 

Hình 4.4: Đồ thị dòng điện trong các phương pháp điều khiển động cơ bước 56 

Hình 4.5: Phương pháp băm xung tần số không đổi 57 

Hình 4.6: Dòng điện trong phương pháp điều khiển bằng chopper xung 58 

Hình 4.7: Dạng sóng trong chế độ băm xung pha và inhibit băm xung 59 

Hình 4.8: Phương pháp hạn chế nhiễu ảnh hưởng đến thời gian mở các bán dẫn công suất 60 

Hình 4.9: Hiện tượng mất dòng đồng bộ 62 

Hình 4.10: Phương pháp băm xung thời gian off không đổi 63 

Hình 4.11: Phương pháp băm xung tần số tự do 64 

Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý tổng quát bộ điều khiển dùng IC A3986 65 

Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý IC A3986 66 

Hình 4.14: Các mức dòng điện trong chế độ vi bước 1/16 67 

Hình 4.15: Mạch nguyên lý thiết kế cho một động cơ bước 68 

Hình 4.16: Mạch layout 68 

Hình 4.17: Mạch hoàn chỉnh thiết kế cho 3 động cơ bước – có thể chạy độc lập kết nối máy tính hoặc thông qua mạch điều khiển trung tâm 69 

Hình 4.18: Dạng sóng dòng điện pha trong chế độ vi bước 1/16 trên oscilocope 69 

Hình 4.19: Sơ đồ chân chip DsPic30F4011 dạng Dip 71 

Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm 72 

Hình 4.21: Sơ đồ layout mạch điều khiển trung tâm 73 

MỞ ĐẦU

Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu gắn liền với lịch sử phát triển của công nghệ hàn Từ những năm cuối bốn mươi, các phương pháp hàn trong khí bảo vệ được nghiên cứu và đưa vào sản xuất Hàn trong khí 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 tại các nhà máy đóng tàu với những ưu điểm về chất lượng mối hàn và đặc biệt là khả năng sử dụng dễ dàng ở nhiều tư thế hàn khác nhau

Tuy nhiên cho đến khi robot được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong ngành hàn nói chung và công nghiệp đóng tàu nói riêng thì các thao tác hàn chủ yếu được thực hiện bởi con người và các máy bán tự động đơn giản Trong khi đó một thực tế

là môi trường làm việc của các thợ hàn là rất khắc nghiệt: luôn phải tiếp xúc với ánh sáng hồ quang giàu tử ngoại ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, địa điểm làm việc cũng rất nguy hiểm khi họ luôn phải treo mình trên các cần trục để hàn phần mạn tàu rất cao và chênh vênh, thêm vào đó chất lượng các mối hàn không được đồng đều do yếu tố con người và để tuyển dụng được một đỗi ngũ thợ hàn bậc cao không phải là

dễ Lúc này, các máy hàn bán tự động ra đời với mục đích giảm gánh nặng cho con người, nâng cao năng suất và chất lượng mối hàn Tuy nhiên phần lớn các máy hàn bán tự động vẫn còn thô sơ và vẫn phải mất nhiều công lao động do việc hạn chế trong kết cấu cũng như điều khiển nên đa phần chúng họat động theo phương pháp dạy – học Chính vì vậy năng suất đóng mới và sửa chữa không thể cao như mong muốn cũng như chất lượng gia công không được thật sự đảm bảo Bên cạnh đó nhu cầu đóng mới các tàu lớn và siêu lớn ngày càng tăng cao trên thế giới điều này đòi hỏi một năng lực sản xuất rất lớn cũng như các tiêu chuẩn kèm theo rất khắt khe Nhận thấy điều này các công ty tại các nước có ngành đóng tàu phát triển mạnh trên thế giới đã nhanh chóng áp dụng công nghệ robot vào lĩnh vực đóng tàu đặc biệt là sử dụng trong công nghệ hàn vỏ tàu với ưu điểm vượt trội do tính linh hoạt trong công nghệ gia công nên các robot hàn chuyên dụng cũng như đa năng trong ngành đóng tàu đã xuất hiện rất nhiều và đang ngày một nâng cao năng suất của ngành Nước ta cũng là một nước đóng tàu ( chủ yếu là vỏ tàu ) có tiếng tại khu vực

nên vấn đề ứng dụng robot hàn trong ngành càng trở nên bức thiết hơn bao giờ hết Tuy nhiên, hiện tại chi phí của các robot hàn chuyên dụng cũng như đa năng còn rất cao nên chủ yếu các nhà máy hay công ty đóng tàu lớn mới có khả năng tiếp cận được những thiết bị tiên tiến này Chính vì vậy nhu cầu về một loại robot hàn cho ngành đóng tàu với giá thành hợp lý và đáp ứng được yêu cầu gia công của ngành thật sự là một vấn đề thời sự cần giải quyết

Từ những phân tích trên cộng với những kiến thức chuyên ngành cơ điện tử có

được tác giả đã chọn đề tài cho luận văn thạc sỹ là: “ nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy ” Mục tiêu của đề tài là nghiên

cứu thiết kế và xây dựng chiến lược điều khiển cho một robot hàn di động dạng tự hành chuyên dùng cho các mối hàn đứng ở mạn tàu nơi thường rất khó thao tác với các thợ hàn cũng như các máy hàn bán tự động, hoặc các mối hàn ngang với chiều dài lớn và mối ghép không đồng đều trên boong tàu

Đề cương gồm những nội dung sau:

Chương 1 : Tổng quan về robot hàn trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy Chương 2 : Xây dựng phương án thiết kế robot

Chương 3 : Xây dựng quỹ đạo chuyển động cho robot

Chương 4 : Thiết kế bộ điều khiển robot

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS Trần Đức Trung, viện Cơ khí – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn giúp

đỡ tôi hoàn thành luận văn này Do thời gian ngắn và năng lực bản thân còn hạn chế nên kết quả của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TRONG NGÀNH

Sản phẩm phù hợp nhất để ứng dụng robot hàn thường hội tụ các đặc điểm:

- Các sản phẩm gia công trong môi trường nóng, ẩm, độc hại, áp suất cao;

- Các sản phẩm yêu cầu tính thẩm mỹ

Do giá thành nhân công và yêu cầu về tính đồng đều của sản phẩm ngày càng tăng, các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới như ford, Toyota, Honda, Boeng ngày càng ứng dụng nhiều robot trong dây chuyền sản xuất của họ Các sản phẩm

có yêu cầu về thẩm mỹ, các sản phẩm yêu cầu về thủy khí động học bề mặt trong gia công như mui xe hơi, yếm xe máy, các sản phẩm có khuynh hướng thay đổi theo thời trang cần thay đổi mẫu mã thường xuyên là những dạng sản phẩm có yêu cầu ứng dụng robot cao nhất

Cùng với nhu cầu về sử dụng robot hàn ngày càng tăng cao, các tập đoàn lớn sản xuất và cung cấp robot cho thị trường ngày càng nhiều, nổi bật nhất có thể kể đến Panasonic, Kuka, Motoman, Kawaskaki, Fanuc…

Các tiến bộ trong kỹ thuật Cơ – điện tử làm cho robot nói chung và robot hàn nói riêng ngày càng linh hoạt và thân thiện hơn với người sử dụng Nếu như các robot phục vụ lắp ráp đòi hỏi thao tác chính xác để thực hiện các lắp ghép có khe hở nhỏ, các robot tự hành đòi hỏi các thuật toán điều khiển bám, cấu trúc điều khiển của robot hàn thường có tính tùy chọn “mở” cao hơn

Do yêu cầu điều khiển thời gian thực, việc giải bài toán động học ngược online

có thể yêu cầu một cụm điện toán đắt tiền khi ứng dụng điều khiển contour liên tục trên đường hàn

Việc phổ biến robot hàn được đảm bảo trên cơ sở trang bị thêm một cổng RS232 giải quyết các bài toán có độ phức tạp cao để giảm đầu tư ban đầu, một robot nguyên thủy thường chỉ có khả năng nội suy tuyến tính , nội suy cung tròn hoặc tổ hợp đường zichzăc có các phân đoạn thẳng và cung tròn

Trong trường hợp sử dụng lao động trình độ thấp hoặc các nguyên công yêu cầu độ chính xác không cao, kỹ thuật dạy học teach – in cho phép vận hành thiết bị hoàn hảo

1.1.2 Các hình thức hàn và dạng điều khiển của robot

Trong công nghiệp có nhiều hình thức hàn như trên quan điểm điều khiển có thể

Khi gặp các quỹ đạo phức tạp như đường Ellip, hypebol, parabol, các đa thức bậc cao hoặc các đường cong dưới dạng giao tuyến của các mặt không gian phức tạp, máy không có khả năng nội suy các dạng quỹ đạo này Lúc này người sử dụng cần

căn cứ vào độ chính xác của mối ghép quyết định khả năng dạy học (trường hợp không yêu cầu chính xác cao, đa số mối ghép hàn cho phép dạy học) hoặc giải bài toán bên ngoài và thông qua liên kết ngoại vi từ cổng RS232 truyền file NC code cho máy thực hiện chương trình Nếu thống nhất về ngôn ngữ cổng này cho phép robot hàn hoạt động như một cell độc lập hoàn chỉnh trong đường dây gia công tự động thông qua liên kết CAD/CAM như các tế bào tự động linh hoạt khác của đường dây

Không giống như các robot vạn năng khác, robot hàn còn có một trục không tính vào bậc tự do dùng cấp dây hàn, hoặc que hàn, trục này đảm bảo khi dây hoặc que hàn nóng chảy điểm quản lí là điểm có tổng tầm với không đổi tính đến giá của cơ cấu

Trong mô đun điều khiển của robot ngoài chức năng đảm bảo nguồn cho các động cơ servo, có một mô đun có chức năng đảm bảo nguồn cho quá trình tạo hồ quang khi hàn Ngoài chức năng này một robot hàn thường không khác biệt nhiều với các robot vạn năng khác

1.1.3 Đặc tính kỹ thuật robot hàn và thông số đường hàn

Như các thiết bị công nghệ khác, đặc tính kỹ thuật của robot hàn là thông số quan trọng để lựa chọn, khai thác và vận hành thiết bị

Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp các thông tin cơ bản trong cataloug theo máy gồm:

- Bậc tự do;

- Hình dáng và kích thước vùng làm việc (Front view, top view);

- Sơ đồ động học;

- Kích thước bao gói, khối lượng tĩnh;

- Tầm với max, min;

- Tải trọng danh nghĩa và lớn nhất;

- Độ chính xác, độ chính xác lặp lại;

- 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;

- Hiệu điện thế không tải;

- Hệ điều hành (Xuất xứ);

- Khả năng kết nối thiết bị ngoại vi

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

Người sử dụng robot hàn cần hiểu biết chuyên sâu về cả hai lĩnh vực trên để có

hiệu quả thao tác tối ưu

1.2 Giới thiệu về robot hàn đường trong công nghiệp đóng tàu

Trong công nghiệp nói chung và trong ngành đóng tàu nói riêng nhu cầu về hàn ráp nối các chi tiết theo đường là rất lớn Hàn đường thường được thực hiện bằng tay bởi các công nhân lành nghề do các mối hàn này đòi hỏi chất lượng cao và đồng đều trên toàn đường hàn Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn của con người với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn Chính vì vậy các loại robot hàn đường được sử dụng khá rộng rãi hiện nay Tiêu biểu có một số loại như sau:

1.2.1 Robot hàn tự hành bán tự động chạy trên ray dẫn

Đây là loại robot phổ biến nhất dùng hàn các đường thẳng thường để ghép các mối hàn trên boong tàu, hay ráp mối đáy tàu và giữa các block trong công nghệ đóng tàu theo block ( đóng tàu lớn và siêu lớn ) Loại robot này có ưu điểm là kết cấu hết sức đơn giản với ray dẫn hướng được lắp đặt dọc theo đường hàn, và súng hàn gắn tùy động trên một bộ đỡ, kết hợp với nguồn hàn Tuy nhiên chính vì sự đơn giản trong kết cấu ấy nên việc thiết lập cho hệ thống làm việc chuẩn xác mất rất nhiều công sức, và yêu cầu người công nhân phải thực hiện nhiều thao tác Với loại

“rùa hàn” ( tên gọi của loại robto đơn giản nhất ) chạy trên ray dẫn, người công nhân phải thao tác căn chỉnh sao cho đường ray song song với đường hàn ở mức tốt nhất có thể và robot chỉ thực hiện mối hàn dọc theo ray dẫn, do đó dẫn đến giảm năng suất và chất lượng mối hàn không đồng đều, và với các đường hàn có quỹ đạo không thật thẳng, hoặc không thẳng thì không thao tác được hoặc phải có các bộ ray chuyên dụng Nhưng do ưu điểm giá thành rẻ và kết cấu đơn giản nên dễ dàng sửa chữa thay thế nên thường được sử dụng trong các xưởng đóng các tàu cỡ tàu nhỏ,

và vừa

Hình 1.1 – Máy hàn bán tự động

1.2.2 Robot hàn tự hành tự động hoàn toàn chạy trên ray dẫn

Đây là loại robot hiện đại và tiện dụng nhất trong lĩnh vực chế tạo vỏ tàu Loại này thường có hai dạng: dạng chuyên dụng và dạng đa năng Dạng đa năng là sự tích hợp của các robot công nghiệp phổ biến hiện nay ( các robot hàn ) lên các thanh ray trượt dẫn hướng và thiết kế lại các giải thuật điều khiển sao cho hơp hý Dạng này có ưu điểm chủ yếu đó là độ linh động rất cao do các robot hàn gốc đều có nhiều bậc tự do ( năm đến sáu bậc ) do đó mang lại độ chính xác và chất lượng cao cho các mối hàn đường với quỹ đạo bất kỳ bất kỳ và phức tạp Thêm vào đó chúng

tự động nhận dạng được quỹ đạo và bám theo nên quá trình thiết lập hệ thống k mất nhiều công sức chỉnh hướng ray trượt do đó việc tự động hóa trở nên rất dễ dàng và cho năng suất cao Tuy nhiên việc điều khiển lại rất phức tạp đòi hỏi người có chuyên môn cao Cộng thêm giá thành rất đắt nên loại robot này chủ yếu được dùng trong các xưởng đóng tàu lớn ở các nước có ngành đóng tàu phát triển

Dạng thứ hai trong loại này là các robot hàn chuyên dụng chúng thường được dùng cho một vài công đoạn, VD robot hàn đường trên mạn tàu, boong tàu Robot hàn ống tròn v.v… Loại này cũng có ưu điểm như loại trên, chúng tự nhận dạng quỹ đạo nên việc lắp đặt rất dễ dàng không đòi hỏi căn chỉnh nhiều nên nâng cao được năng suất và chất lượng mối hàn Tuy nhiên chúng có độ linh động kém hơn do thiết kế theo một mục đích, thường có hai đến ba bậc tư do, đổi lại chúng có độ phức tạp trong điều khiển không bằng loại nói trên và giá thành cũng rẻ hơn một chút

Hình 1.2 – Robot hàn tự động dò quỹ đạo hàn chuyên dụng

Nhóm robot thuộc loại này có một ưu điểm nổi bật chung là tính năng nhận dạng quỹ đạo tự động có được do chúng sử dụng một hệ thống cảm biến phức tạp thường

là cảm biến laser và camera để sử lý và phân tích ảnh thu được từ đó đưa ra quỹ đạo thật cần di chuyển để hoàn thành mối hàn Chúng còn có thêm nhiều chức năng như: phân tích tự động biên dạng mối hàn để tính toán các thông số cần thiết của mối hàn, như: số lớp hàn, tốc độ hàn, tốc độ ra dây…Đồng thời chúng còn kiểm tra

sơ bộ được chất lượng mối hàn qua hình ảnh bên ngoài của chúng ( bước kiểm tra chi tiết bằng siêu âm được thực hiện sau, và chủ yếu tại những điểm nghi ngờ do biến dạng khác thường so với kích thức chuẩn của mối hàn ) Chính vì hệ thống phức tạp trên nên giá thành của chúng rất cao

Hình 1.3 – Cấu trúc hệ thống nhận dạng và sử lý quỹ đạo đường hàn dùng cảm

biến khoảng cách laser và camera CMOS

1.2.3 Robot hàn tự hành kiểu dạy học chạy trên ray dẫn

Dạng robot này là một dạng đơn giản của dạng thứ hai vừa kể trên Chúng có cấu trúc cơ khí gần như tương đương với loại trên nhưng phần điều khiển được tinh giảm đi để hạn chế sự phức tạp cũng như giá thành Cụ thể, loại robot này hoạt động theo hình thức dạy – học, với ưu điểm là khá dễ dàng trong thao tác lắp đặt cũng như vận hành cho người công nhân và mối hàn cũng đạt chất lượng khá cao so với dạng bán tự động cơ bản Người công nhân lắp đặt không mất quá nhiều thời gian cho việc căn chỉnh ray hướng thay vào đó họ phải để robot ở chế độ “dạy” và đưa robot di chuyển bám theo đường hàn, quỹ đạo sau đó sẽ được lưu lại trong bộ nhớ của robot và khi chuyển chế độ “học” nó sẽ di chuyển theo đúng những j đã được “dạy” Loại này tuy có ưu điểm về sự đơn giản trong lắp đặt và chất lượng mối hàn khá tốt nhưng vẫn tốn nhiều thời gian thiết lập ban đầu và không kiểm tra

tự động hóa của loại robot này chưa cao, nên cần có những nghiên cứu thêm để cải tiến mức độ tự động, thông minh của robot mà vẫn đảm bảo giá thành của chúng nằm trong ngưỡng phù hợp với điều kiện Việt Nam Và trong luận văn này, tác giả muốn đề xuất một giải pháp cho bài toán ấy

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT

2.1 Thiết kế kết cấu

Robot hàn đường tự động được nghiên cứu thiết kế trong đề tài là loại robot hàn chuyên dụng cho các đường hàn đứng ở mạn tàu hoặc trên boong tàu, nơi có những đường hàn rất dài với độ dốc lớn, thường là thẳng đứng Do đó robot loại này có một số yêu cầu cơ bản trong kết cấu như:

- Có ray dẫn hướng với nhiều đoạn tháo lắp thuận tiện giúp robot chuyển động dọc đường hàn

- Có trọng lượng tương đối nhẹ để hạn chế công suất động cơ kéo lên ( do chúng thường chuyển động thẳng đứng từ dưới lên ) chính vì vậy kết cấu phải tinh gọn chắc chắn

- Số bậc tự do phải đảm bảo tạo được sự linh hoạt cần thiết giúp robot dễ dàng thao tác với những quỹ đạo hàn thay đổi

- Có module tạo quỹ đạo hàn công nghệ như tạo đường zic zack, đường xoắn

Vật liệu, sử dụng nhôm kết cấu cường độ cao, chịu lực tốt ít biến dạng, với trọng lượng thấp Thanh răng được gắn với ray trượt bằng mối ghép vít, để tiện tháo lắp, bảo dưỡng, thay thế Thanh răng được chế tạo bằng thép tốt, bề mặt răng tôi cứng

và thấm nito để tăng độ bền mòn

2.1.3 Tính chọn sơ bộ công suất động cơ trục đứng

Từ thiết kế kết cấu như trên ta có thể tính toán sơ bộ trọng lượng robot bằng phần mềm thiết kế 3D Theo tính toán, khối lượng robot khoảng 20kg Khi thao tác hàn, robot di chuyển đều trừ thời điểm khởi động tăng tốc nhưng trong thời gian ngắn không đáng kể Chính vì vậy nó di chuyển không gia tốc, nên lực phát động cân bằng với trọng lực của nó Ta có biểu thức:

Trong đó

F: Lực phát động cần để robot di chuyển lên trên được

m: Khối lượng tổng của robot

g: Gia tốc trọng trường

d: Đường kính vòng lăn của bánh răng chủ động trên động cơ trục

thẳng đứng của robot

γ: Góc áp lực trên vòng chia Thay vào ta được

Tính cho momem tổng: đoạn tăng tốc và hãm ngược yêu cầu momen cao hơn quá trình chuyển động đều, ta tính hệ số an toàn khi chọn là 1,5 Vậy Momen tổng cộng cần thiết đặt lên trục động cơ trục đứng là :

dòng điện định mức 2,5(A)/phase Với điện áp 48V và tại vận tốc 240v/ph ( 4 v/s)

động cơ vẫn giữ được momen trên trục khoảng 1,5(Nm) Vậy vận tốc hàn tối đa là:

v hàn_max = v rb d.3,14/4 = 7,53 (m/ph)

2.1.4 Tính chọn sơ bộ động cơ 2 trục ngang

Hai trục ngang của robot không chịu lực lớn do các trọng lực ở đây đều không sinh công cản trở chuyển động, chỉ có quán tính nhưng cũng không lớn do kết cấu hết sức nhỏ gọn và nhẹ Ta chọn động cơ bước Nema 14 cho cả hai trục với bọ truyền vít me đai ốc bi bước ren 10 mm

2.1.5 Thiết kế cơ cấu nhận dạng quỹ đạo hàn tự động dùng cảm biến khoảng cách

Như đã đề cập ở trên, cơ cấu nhận dạng quỹ đạo hàn tự động là một phần rất quan trọng với các robot tự động hoàn toàn kiểu này Nó mang lại rất nhiều lợi ích

so với các loại robot hàn thông dụng khác bởi không mất thời gian cũng như công sức nhiều cho việc lắp đặt và vận hành Với loại robot này người công nhân không cần phải lắp đặt ray dẫn hướng một cách tỷ mỉ sao cho cách đều đường hàn hoặc phải điều khiển robot chạy dọc theo quỹ đạo để nhận biết đường hàn nữa, mà chỉ cần lắp đặt ray dẫn hướng một cách đơn giản và cài đặt các tham số ban đầu cho robot và nó sẽ tự động làm những việc còn lại để hoàn thành mối hàn Từ đó có thể nâng cao khả năng tự động hóa, chất lượng cũng như năng suất lao động trong ngành áp dụng nó Tuy nhiên vấn đề đặt ra là giá thành khi các loại robot này thường rất đắt bởi các bộ cảm biến đắt tiền cộng với camera và các động cơ servo

Và công việc của luận văn là đưa ra một thiết kế hợp lý đề giải quyết bài toán trên Việc dùng các động cơ bước có kiểm soát hành trình với encoder cùng mạch điều khiển tự thiết kế giúp giảm giá thành so với dùng động cơ servo nhập ngoại Các bộ điều khiển này sẽ trình bày trong chương sau Còn việc nhận dạng quỹ đạo

tự động, luận văn đề xuất một phương án thay thế cho việc dùng camera và cảm biến laser cùng hệ thống thấu kính phức tạp và đắt tiền đó là việc dùng một cảm biến khoảng cách laser và quét liên tục trên đường hàn, thông tin biên dạng mối hàn được số hóa qua mạch xử lý trung tâm rồi truyền dữ liệu số về máy tính, sử dụng các thuật toán nội suy để tính toán quỹ đạo chuyển động của đầu hàn

Hình 2.3 – Sơ đồ cơ cấu nhận dạng quỹ đạo

2.2 Bài toán động học

2.2.1 Cấu trúc động học robot

O X Y

Hình 2.4 – Cấu trúc động học

Xét về cấu trúc động học robot hàn loại này có dạng cấu trúc tọa độ vuông góc, với 3 khớp tịnh tiến nối tiếp và một khớp quay ( lắc ) để thực hiện chuyển động công nghệ của đường hàn Khớp quay này hoạt động độc lập không phụ thuộc các khớp còn lại nên không tính đến khi tính toán động học robot

Chọn hệ tọa độ cơ sở O0X0Y0Z0 gắn vào ray trượt của robot Gốc O0 tại điểm bắt đầu khởi tạo đường hàn Trục Y0 trùng với phương của ray trượt hướng lên trên Hệ trục tọa độ gắn với khâu một O1X1Y1Z1 được đặt tại khớp trượt của khâu một Các

trục có chiều như trên hình 2.4 Hệ trục tọa độ gắn với khâu hai O2X2Y2Z2 được đặt

tại khớp trượt của khâu hai Các trục có chiều như trên hình 2.4 Hệ trục tọa độ gắn

với khâu thao tác ( đầu hàn ) O3X3Y3Z3 được đặt tại trục khớp quay công nghệ

Sử dụng phương pháp DENAVIT – HARTENBERG để tìm tọa độ khâu cuối ( súng hàn ) trong hệ tọa độ cố định gắn với ray trượt robot

+ + + + +

+ +

+ + + + +

+ +

1 0

0 0

1 1 1 1 1

1 1

1 1 1 1 1

1 1

n n

n

n n n n n

n n

n n n n n

n n

s a s

c c

c s

c a s

s c

s c

A

αα

θα

θα

θθ

θα

θα

θθ

Để thực hiện phép biến đổi từ hệ tọa độ OX Y Z0 0 0sang hệ OX Y Z1 1 1 ta thực hiện

hai phép biến đổi tịnh tiến dọc theo trục Y một khoảng d1 Ta có ma trận A1 có dạng:

1 1

Để thực hiện phép biến đổi từ hệ tọa độ OX Y Z2 2 2sang hệ OX Y Z3 3 3 ta thực hiện

một phép biến đổi tịnh tiến dọc theo trục Z một khoảng d3 Ta có ma trận A3 có

dạng:

Do vậy ta có ma trận mô tả vị trí của hệ tọa độ OX Y Z3 3 3 ( mũi xúng hàn ) trong

hệ toạ độ OX Y Z0 0 0 ( nơi gắn ray trượt ) là ma trận là:

T = A A A (2.7)

Nhân các ma trận trên ta có :

2 1 3

P

d d

2.2.2 Bài toán động học thuận

Đối với bài toán động học thuận ta sử dụng hệ phương trình (2.36) với các hằng

số a cho trước và các quy luật chuyển động của các khâu, ta sẽ dễ dàng tìm được vị

trí mũi súng hàn trong không gian

Ta khảo sát bài toán thuận trong trường hợp sau:

Giả sử qui luật chuyển động của biến khớp là:

Hình 2.5 Quỹ đạo chuyển động của mũi súng hàn

2.2.3 Bài toán động học ngược

Cũng như trên với bài toán ngược khi ta biết được biên dạng cần gia công, tức là biết được các giá trị x, y và z của từng điểm trên biên dạng, dựa vào phương trình (2.36) ta có thể giải ra được các d1, d2, d3 tương ứng, từ đó có các thông số điều khiển thích hợp đáp ứng yêu cầu của bài toán ngược

Giả sử biên dạng là giao tuyến của mặt phẳng y=3sin(x) và mặt phẳng z=10, biên dạng có phương trình là x=0,1t; y=3sin(0,1t); z=10

Bằng chương trình Maple giải ra được tập nghiệm có dạng như sau được lưu trong file txt

2 292.596008000 0.200000000 131.000000000 0.200000000 0.596007992 10.000000000

3 292.886560600 0.300000000 131.000000000 0.300000000 0.886560620 10.000000000

4 293.168255000 0.400000000 131.000000000 0.400000000 1.168255027 10.000000000

5 293.438276600 0.500000000 131.000000000 0.500000000 1.438276616 10.000000000

6 293.693927400 0.600000000 131.000000000 0.600000000 1.693927420 10.000000000

7 293.932653100 0.700000000 131.000000000 0.700000000 1.932653062 10.000000000

8 294.152068300 0.800000000 131.000000000 0.800000000 2.152068273 10.000000000

9 294.349980700 0.900000000 131.000000000 0.900000000 2.349980729 10.000000000

10 294.524413000 1.000000000 131.000000000 1.000000000 2.524412954 10.000000000

11 294.673622100 1.100000000 131.000000000 1.100000000 2.673622080 10.000000000

12 294.796117300 1.200000000 131.000000000 1.200000000 2.796117258 10.000000000

13 294.890674600 1.300000000 131.000000000 1.300000000 2.890674556 10.000000000

14 294.956349200 1.400000000 131.000000000 1.400000000 2.956349190 10.000000000

15 294.992485000 1.500000000 131.000000000 1.500000000 2.992484960 10.000000000

16 294.998720800 1.600000000 131.000000000 1.600000000 2.998720809 10.000000000

17 294.974994400 1.700000000 131.000000000 1.700000000 2.974994432 10.000000000

-………

………

Đồng thời có các thông số vận tốc, gia tốc các khâu như sau:

Hình 2.7: Mô hình cơ hệ có n bậc tự do

Gọi sr Ci là véc tơ vị trí trọng tâm của khâu thứ i đối với hệ toạ độ khớp đặt tại khớp thứ i

pv i là véc tơ vị trí gốc tọa độ Ri khâu thứ i đối với hệ tọa độ R0

Khi đó vị trí trọng tâm khâu thứ i đối với hệ toạ độ cơ sở được xác định theo công thức sau :

Ci i

Ci p s

rr = r + r (2.11) Viết dưới dạng ma trận ta có :

( )i

Ci = Ci = i+ i Ci

v r& p& A s& (2.13) Toán tử sóng biểu diễn vận tốc góc khâu thứ i đối với hệ toạ độ cơ sở, theo công thức (2.1) trang 118, sách “Động lực học hệ nhiều vật”

i

i = i = i

ω% ω% A A& (2.14)

0 0 0

mi : khối lượng khâu thứ I,

ICi : ma trận của tenxơ quán tính của khâu tứ i đối với khối tâm Ci của nó ở trong hệ toạ độ

Biểu thức động năng của hệ n vật rắn :

cơ sở Nếu hướng của gia tốc trọng trường trùng z0 thì gz = g, còn gx = gy = 0 Biểu thức tổng thế năng của hệ n khâu :

2.3.1.3 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ bằng phương pháp Lagrange loại hai

Xét một hệ gồm n bậc tự do Ký hiệu các toạ độ suy rộng tối thiểu là :

q = [q1, …, qn]T (2.22) Dạng thức của phương trình Lagrange loại 2 như sau:

np i i i

i

Q q q

T q

T dt

• T, Π lần lượt là tổng động năng và thế năng của cơ hệ

•

i q

∂Π

∂ là các lực có thế

• np ( ), ( )

τi( )t lực suy rộng của các lực phát động tác dụng vào khâu thứ i

Q q q& Ri( ), là lực suy rộng của các lực hao tán tác dụng vào khâu i

T P Ri

P

P

x y z

N N N

) ( ) , (q q. t Q

q q

T q

T dt

d

i Ri

i i i

τ

= +

∂

Π

∂ +

2.3.2.1 Bài toán động lực học thuận

Bài toán đặt ra là: cho biết các lực hay mômen tác động vào các khớp τ (t) , ta đi itìm quy luật của các biến khớp tương ứng

2.3.2.2 Bài toán động lực học ngược

Có hai bài toán đặt ra là:

• Bài toán thứ nhất: cho biết quy luật của các biến khớp q (t) i

• Bài toán thứ hai: cho quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối

Ta phải đi xác định các lực (đối với khớp tịnh tiến) hay mômen (đối vói khớp quay) tác động vào khớp đó Thông thường ta hay phải giải quyết bài toán thứ hai vì

nó gần với thực tế hơn Muốn giải quyết bài toán này ta phải sử dụng kết quả của bài toán động học ngược để từ quỹ đạo của điểm tác động cuối tìm ra được quy luật của các biến khớp q (t) , đạo hàm cấp 1 và cấp 2 các biến khớp này ta được vận tốc ikhớp q (t)&i , gia tốc khớp &&q (t)i tương ứng thay vào phương trình (3.18), với các thông số động học và động lực học đã biết ta sẽ tính được các lực hay mômen tác động vào khớp đó

Bài toán ngược có ý nghĩa trong thực tế hơn nên ta xét bài toán ngược

2.3.3 Tính động năng của máy

Với các thông số từng khâu như sau:

Khâu 1: khối lượng, vị trí trọng tâm, momen quán tính lần lượt là:

1 1

0( )0

C

d

d dt

2

2 1 2

( )

0

C

d d

d dt

3

0( ) 0

C

d dt

1 2

4 2

2.3.4 Tính thế năng của robot

q q

T q

T dt

d

i Ri

i i i

τ

= +

∂

Π

∂ +

qi = θi đối với khớp quay

qi = di đối với khớp tịnh tiến