Tính toán điều khiển robot thực hiện hàn cắt theo biên dạng cong phức tạp

Ở đây ta có thể chia làm 2 dạng robot: Dạng tay máy công nghiệp: Trong quá trình hàn ta thường gặp những đường hàn có quĩ đạo phức tạp và không gian vùng cần hàn thì chật hẹp, do đó để đ

Trang 1

NGÔ SỸ THANH

TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN ROBOT THỰC HIỆN HÀN CẮT THEO

BIÊN DẠNG CONG PHỨC TẠP

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Trang 2

cá nhân, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, kết hợp nghiên cứu thực nghiệm và dưới sự hướng dẫn khoa học của:

GS.TSKH Đỗ Sanh PGS.TS Phan Bùi Khơi

Các số liệu, mơ hình thực nghiệm và kết quả tính tốn trong luận văn là trung thực, chưa từng được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi trình luận văn, bảo vệ và cơng nhận bởi “Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ”

LỜI CẢM ƠN

Qua gần 10 tháng thực hiện với sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ Sanh

và thầy Phan Bùi Khơi để thực hiện đề tài luận văn này và đến nay đề tài đã được hồn thành

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đối với thầy cơ trong trường Đại Học Bách Khoa, Viện Đào Tạo Sau Đại Học, thầy cơ trong Bộ mơn Chế Tạo Máy, Bộ mơn Điều Khiển Tự Động, Khoa Cơ Khí đặc biệt là thầy Đỗ Sanh và thầy Phan Bùi Khơi đã chỉ bảo và truyền đạt nhưng kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua

Tơi cũng xin cảm ơn các đơn vị: XN Khai Thác Dầu khí, Cảng vụ dầu khí, PTSC, Trung Tâm Thiết kế chế tạo thiết bị mới và Tổng cơng ty Cơng Nghiệp Tàu Thủy Sài Gịn… đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tơi cĩ thể hịan thành tốt đề tài này

Cuối cùng xin cảm ơn sự động viên giúp đỡ của gia đình và bạn bè

Chân thành cảm ơn sự gĩp ý, phê bình của các đọc giả

Vũng Tàu, Ngày 22 Tháng 05 Năm 2011

Học viên

Ngơ Sỹ Thanh

Trang 3

1 Nhu cầu của các ngành sản xuất cơ khí và của công nghiệp đóng tàu 1

2.Tình hình nghiên cứu 1

2.1 Nước ngoài 1

2.2 Trong nước 4

3 Robot Hàn .6

3.1 Dạng tay máy công nghiệp 6

3.2 Dạng robot tự hành có đường dẫn hướng hay hoàn toàn tự động 9

4 Phương pháp hàn 14

4.1 Hàn hồ quang : 14

4.2 Hàn laser 18

4.3 Hàn bằng siêu âm 18

4.4 Hàn bằng tia điện từ 19

5 Các đặc điểm và yêu cầu trong quá trình hàn với robot 19

6 Sơ lược về công nghệ chế tạo tàu thủy 22

6.1 Cấu tạo thân tàu 22

6.2 Công nghệ đóng tàu 28

7 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 28

CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP KỸ THẬT CÔNG NGHỆ 29

1 Nghiên cứu thiết kế giải pháp về cấu trúc, bố trí không gian cho robot hàn tự hành trong mặt phẳng ngang 1.1 Các giải pháp về cấu trúc hiện có trên thế giới về robot hàn tự hành29 1.1.1 Robot hàn tự hành của Hãng BugO 29

1.1.2 Robot hàn tự hành của hảng khác 32

1.1.3 Mục tiêu đề ra cho robot hàn 32

1.2 Bố trí không gian cho robot 33

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của robot tự hành hàn sàn tàu 33

1.2.2 Phân tích lựa chọn phương án cho robot hàn 33

1.2.3 Thiết kế các bộ phận của robot 38

2 Nghiên cứu giải pháp nhận biết và điều khiền đuốc hàn theo quĩ đạo cần hàn 43

Trang 4

2.2.2 Phương pháp hàn 46

2.3 Các phương pháp nhận biết đường hàn 47

2.3.1 Phân tích cấu tạo đường hàn 47

2.3.2 Các phương án nhận biết đường hàn 48

2.3.3 Các dạng cảm biến có thể dùng để nhận biết đường hàn 50

2.3.4 So sánh lựa chọn phương án phù hợp 53

2.4 Nguyên tắc điều khiển đuốc hàn 54

2.4.1 Nguyên tắc xác định đường hàn và điều khiển đuốc hàn 54

2.4.2 Giải thuật điều khiển và sơ đồ mạch điện 57

3 Nghiên cứu giải pháp tạo quỹ đạo công nghệ hàn cắt 63

3.1 Mục tiêu 63

3.2 Giải pháp tạo quĩ đạo công nghệ hàn 63

3.2.1 Các dạng quĩ đạo công nghệ hàn 63

3.2.2 Các phương pháp tạo quĩ đạo zigzag 64

3.2.3 Chế tạo thiết bị 66

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH MÔ HÌNH 69

1 Lựa chọn các thông số ban đầu cho robot 69

2 Thử nghiệm 69

2.1 Thu thập số liệu 69

2.2 Thử nghiệm tại xưởng: 70

2.3 Thử nghiệm tại nhà máy đóng tàu: 70

3 Nhận xét kết quả thử nghiệm 78

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 79

1 Những công việc đã thực hiện được 79

2 Những hạn chế và hướng phát triển đề tài 79

2.1 Những vấn đề còn hạn chế: 79

2.2 Hướng phát triển của đề tài: 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Trang 5

Học viên: Ngô Sỹ Thanh. Trang 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN CÔNG NGHIỆP HÀN CẮT

1 NHU CẦU CỦA CÁC NGÀNH SẢN XUẤT CƠ KHÍ VÀ CỦA NGÀNH

CÔNG NGHIỆP ĐÓNG TÀU:

Hàn là công nghệ quan trọng không thể thiếu trong các ngành công nghiệp như sản xuất cơ khí như chế tạo máy móc, ôtô và đặc biệt trong ngành đóng tàu Trong đó công đoạn hàn chiếm hơn 30% của qui trình sản xuất

Hiện nay các nhà máy đóng tàu thuộc Tổng công ty Công nghiệp tàu thủy Việt Nam đều có các dự án đầu tư mở rộng để đóng được tàu trọng tải tới 100.000 tấn trong vài năm tới mà hàn là công nghệ chiếm tỉ trọng lớn do đó hàn cần được quan tâm nghiên cứu để có được năng suất và chất lượng cao

Môi trường hàn là một môi trường độc hại, người công nhân phải làm việc trong môi trường ngột ngạt, chật hẹp, ô nhiễm tiếng ồn và khói hàn trong thời gian dài Ngoài ra chất lượng mối hàn còn phụ thuộc vào trình độ tay nghề và sức khỏe của công nhân, do đó cần nghiên cứu về những vấn đề ứng dụng robot hàn để thay cho người công nhân hàn

Những lợi ích lớn nhất của hàn tự động sử dụng robot là có độ chính xác và năng suất cao, nâng cao độ tin cậy của mối hàn Một khi được lập trình hợp lý, các robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách Chuyển động của que hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay

Trong năm 2010 ngân sách thành phố dành khoảng 150 tỉ đồng để hỗ trợ chế tạo một số robot theo đặt hàng của các công ty như:

- Công ty Trung Tín đặt hàng chế tạo robot hàn các thiết bị áp lực

- Công ty Công nghiệp tàu thủy Sài Gòn yêu cầu chế tạo robot hàn đường thẳng và hàn đường cong

- Công ty Samco ứng dụng robot để sửa chữa xe hơi

- Công ty đóng tàu Nhà Bè: robot hàn vỏ tàu

- Đồng thời triển khai một số nghiên cứu cơ bản nhằm phục vụ lâu dài việc nâng cao chất lượng các sản phẩm robot được chế tạo trong nước

Tóm lại nhu cầu về robot hàn là rất lớn không chỉ trong công nghiệp đóng tàu mà còn trong công nghiệp sản xuất cơ khí

2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU:

2.1 Nước ngoài:

Việc nghiên cứu và ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp, trong an ninh quốc phòng và trong đời sống đã được nhiều nước trên thế giới quan tâm từ lâu Trong đó, đáng kể nhất là việc đưa robot ứng dụng trong công nghiệp ở các ngành sản xuất nặng nhọc, độc hại như trong ngành sản xuất hoá chất, luyện kim,

Trang 6

đóng tàu… và trong các dây chuyền sản xuất linh hoạt nhằm giảm số lượng nhân công lao động Nhiều công ty hàng đầu thế giới như: ABB, FANUC, PANASONIC, KAWASAKI, KUKA, MOTOMAN…đã chế tạo các thiết bị hàn từ bán tự động đến

tự động các robot hàn và triển khai ứng dụng robot hàn trong công nghiệp

Hình 1: Các hãng sản xuất robot hàng đầu Thế giới

Hình 2 : Robot hàn TIG của hãng Motoman

Trang 7

Hình 3: Robot hàn Bấm của hãng Kawasaki

Hình 4: Robot hàn di động của hãng Bug-O Trong các tạp chí khoa học có uy tín về lĩnh vực robot, nhiều công trình đã được công bố và triển khai như:

+ “Ship building with rower” – P Gonzalez De Santos, M A Armada, and M Q Jimenez Robot chuyên dùng để hàn trong công nghiệp tàu thủy

Hình 5 : Robot hàn Rower

Trang 8

Hình 6: Robot giàn treo dùng

để hàn nhiều đường thẳng song song

+ “Development of mobile robot for pipe welding with visual sensor” Ogawa, Koichi Suga, Yasuo Phát triển robot di động có trang bị cảm biến thị giác dùng trong hàn ống dẫn

+ “Development of an autonomous mobile robot with a visual sensor for welding of pipe-butt welding of thin wall stainless steel pipes” Ogawa, Koichi Suga, Yasuo Một hệ thống robot tự hành di động được dùng để hàn các ống dẫn Robot này có khả năng di chuyển dọc theo ống dẫn và sử dụng cảm biến thị giác để phát hiện những nơi cần hàn

+ “Recognition and automatic tracking of weld line in welding of T-joint of pipes by an autonomous moblie robot with vision sensor” Ogawa, Koichi Suga, Yasuo Nhận dạng và hàn đường thằng trong đường ống bằng robot tự hành với cảm biến thị giác

+ “ Intelligent welding robot system” alzamora G, Ikeya H, Kaneko Y, Ohshima K, Chen Q Hệ thống robot hàn thông minh

Trang 9

- Mẫu robot di động hoạt động trong môi trường cháy nổ của Viện Điện tử, tin học và Tự động hoá (Vielina)

- Mẫu robot MSR 50 bốc dỡ và vận chuyển vật liệu rời của Viện điện tử Tin học và tự động hóa (Vielina)

- Một số mẫu robot của Đại học Bách khoa Hà Nội: Robot 6 bậc tự do RBP-4102, robot SCA mini

- Mẫu robot gấp sản phẩm phôi chai nhựa PET của khoa cơ khí, Đại học Bách khoa TP HCM chế tạo cho cty Bảo Vân

- Mẫu robot hàn các sản phẩm kim khí mỹ nghệ xuất khẩu theo yêu cầu của gắp sản phẩm phôi chai nhựa PET của khoa Cơ khí, Đại học Báck khoa Tp.HCM chế tạo cho công ty Bảo Vân

Một số tài liệu và đề tài nghiên cứu về robot phục vụ cho công nghiệp hàn, chẳng hạn như:

- “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot phục vụ các quá trình sản xuất trong các điều kiện độc hại và không an toàn” - Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lê Hoài Quốc, 2004

- “Điều khiển robot hàn khi gia công các quĩ đạo phức hợp” - Trần Vệ Quốc, Phạm Thành Long

- “Điều khiển chuyển động robot hàn theo quĩ đạo định trước” - Nguyễn Thiện Phúc, Tuyển tập công trình khoa học hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ VI, V.2, tr.109-113, 1997

- Gần đây lần đầu tiên tại Việt Nam, sáu robot công nghiệp phục vụ trong môi trường độc hại và không an toàn đã được nghiên cứu chế tạo và đưa vào thử nghiệm thành công Đây là kết quả nghiên cứu ròng rã trong ba năm của gần 30 nhà khoa học thuộc ĐH Bách khoa TP HCM Đó là: robot vạn năng phục vụ cho quá trình hoá luyện nhiệt; robot hàn; robot Crane; tay máy phục vụ trong dây chuyền sản xuất đạn, thuốc nổ; tay máy lấy sản phẩm phôi PET trên máy ép nhựa (gồm tay máy theo phương ngang và tay máy theo phương đứng)

Bên cạnh các mẫu robot tĩnh tại được sử dung 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… như robot cứu hộ của Viện Điện tử, tin học và tự động hóa(Vielina), Robot quay phim của Đại học Báck 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 nghiêm 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,…

Trang 10

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

3 ROBOT HÀN:

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

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

Dạng tay máy công nghiệp:

Trong quá trình hàn ta thường gặp những đường hàn có quĩ đạo phức tạp và không gian vùng cần hàn thì chật hẹp, do đó để đưa đầu hàn (torche) vào đúng vị trí hàn thì tay máy cần có những chuyển động uyển chuyển Vì vậy những tay máy công nghiệp sử dụng trong công nghiệp hàn thường được thiết kế có 6 bậc tự do Gồm có:

- Khớp xoay thứ nhất xoay quanh trục z thẳng đứng

- Khới bản lề 2,3,4 xoay quanh trục z nằm ngang

- Khớp xoay thứ 5 xoay quanh trục z thẳng đứng

- Khớp xoay cuối cùng mang end effector xoay quanh trục z nằm ngang

Hình 8: Động học tay máy công nghiệp 6 bậc tự do

Trang 11

Hình 9: Tay máy 6 bậc tự do

Ưu điểm:

- Có thể di chuyển đầu hàn tới những vùng làm việc có kích thước không gian hẹp

- Tạo được các chuyển động phức tạp và có độ chính xác cao

- Năng suất cao

Tuy nhiên tay máy công nghiệp có phạm vi hoạt động bị giới hạn nên không thể thực hiện hàn những đường hàn dài

Trang 12

Hình 10: Vùng hoạt động của tay máy công nghiệp

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

Trang 13

e) Hình 11: Các loại đầu hàn gắn trên robot a) Đầu hàn TIG, b) Đầu hàn MIG/MAG, c) Đầu hàn Plasma

d) Đầu hàn bấm (điểm), e) Đầu hàn laser 3.2 Dạng robot tự hành có đường dẫn hướng hay hoàn toàn tự động:

Trong công nghiệp xây cầu hay đóng tàu yêu cầu cần hàn những đường hàn rất 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 Do đó cần những phương pháp linh động và hiệu quả để thực hiện quá trình hàn một cách nhanh chóng

Ở đây ta có các phương pháp sau:

- Tay máy công nghiệp kết hợp với ray trượt:

Hình 12: Tay máy trượt trên ray ngang đặt trên sàn

Trang 14

Hình 13: Tay máy trượt trên ray được treo trên xà

Hình 14: Tay máy trượt trên ray ngang đặt trên vách

Trang 15

Hình 15: Tay máy trượt trên ray đặt thẳng đứng để hàn vách đứng

Hình 16: Tay máy gắn trên mobile robot di chuyển bằng bánh xe

Trang 16

Hình 17: Tay máy gắn trên mobile robot di chuyển bằng chân bò

- Dạng rùa hàn di chuyển trên ray: dạng này thường có ít bật tự do vì chuyên dùng hàn những đường hàn thẳng trong mặt phẳng Nhưng dạng này cần dựng vào ray để dẫn hướng

Hình 18: Rùa hàn tự động chạy trên ray

Trang 17

Hình 19: Các hình dạng ray

Hình 20: Rùa hàn tựa vào vật hàn làm dẫn hướng

Trang 18

Hình 21: Rùa hàn có nam châm để hàn đứng

4 PHƯƠNG PHÁP HÀN:

Các phương pháp hàn thường sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu: Hàn hồ quang : (Arc welding)

Hàn hồ quang điện là phương pháp hàn bằng cách tạo ra hồ quang có nhiệt

độ rất cao giữa que hàn và tấm kim loại cần hàn để kết nối chúng lại với nhau Nhiệt năng của tia hồ quang sẽ làm nóng chảy lõi que hàn và tấm kim loại được hàn Trong quá trình hàn lõi que hàn sẽ phát sinh khí và trên đường hàn sẽ xuất hiện xỉ hàn, khí và xỉ hàn này có nhiệm vụ bảo vệ tia hồ quang và mối hàn khỏi

sự xâm nhập của khí bên ngoài

4.1.1 Hàn TIG (Tungsten Inert Gas): Hàn hồ quang khí trơ với điện cực không nóng chảy:

Nối 2 kim loại có thành phần khác nhau như hàn magie với nhôm hay nhôm với đồng Trong quá trình hàn TIG thì tia hồ quang sẽ hình thành ở đầu điện cực tungsten làm nóng chảy chi tiết hàn, vùng hàn được bảo vệ trong môi trường khí trơ là Argon hay Heli Với phương pháp này ta sẽ có được mối hàn có chất lượng cao, có tính thẩm mỹ

Trang 19

Hình 22: Công nghệ hàn TIG 4.1.2 Hàn Plasma (Tungsten plasma-arc) : PAW

Hàn plasma là phương pháp sử dụng nguồn năng lượng từ khí gas để làm nóng chảy vật liệu hàn Vùng hàn gồm 2 dòng khí : dòng khí gas ở giữa và dòng khí bảo vệ bên ngoài 2 dòng khí plasma chuyển động xung quanh điện cực trung tâm được làm bằng tungsten Ưu điểm của phương pháp hàn plasma so với hàn TIG là tốc độ hàn cao và có khả năng hàn chi tiết có độ dày cao

Hình 23 : Công nghệ hàn hồ quang plasma

Trang 20

4.1.3 Hàn MIG/MAG (Metal Inert Gas / Metal Active Gas): Hàn hồ quang khí

trơ vớ điện cực nóng chảy

Hàn MIG/MAG ra đời sau hàn TIG là phương pháp hàn được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp Cũng như phương pháp hàn TIG nhưng ở đây khí trơ dùng để bảo vệ vùng hàn tránh xâm nhập của không khí và điện cực

ở đây bị tiêu hao trong suốt quá trình hàn Trong hàn MIG khí bảo vệ được dùng

là Heli và Argon còn trong hàn MAG khí bảo vệ là CO2 hay hỗ hợp của 2 loại khí là Argon và CO2

Trang 21

lớp chắn bằng thuốc hàn.Ưu điểm của phương pháp này là không sử dụng khí trơ bảo vệ, và khả năng điền đầy cao, cho chất lượng mối hàn tốt

Hình 25: Công nghệ hàn hồ quang chìm

Ưu điểm của phương pháp hàn hồ quang là:

Hàn được các loại thép kết cấu và các loại thép không gỉ, chịu lửa, bền nóng, các hợp kim đặc biết, các hợp kim nhôm, magie, niken, đồng, các kim loại có tính hoá học mạnh và kim loại hiếm

• Cho phép hàn liên tục với chiều dài điện cực không bị giới hạn

• Hàn ở các góc cạnh khác nhau

• Cho tốc độ điền đầy kim loại hàn cao hơn so với phương pháp hàn que

• Tốc độ hàn củng được cải thiện hơn so với hàn que

• Chất lượng mối hàn tốt hơn vì tạo ra được những mối hàn với độ ngấu sâu hơn

• Với lượng sỉ hàn ít nên mối hàn sạch hơn rút ngắn thời gian làm sạch đường hàn

Trang 22

4.2 Hàn laser:

Là phương pháp nung chảy các kim loại để gắn kết chúng với nhau bằng năng lượng nhiệt sinh ra từ sự tập trung cao của chùm tia laser Phương pháp này thường dùng để hàn các chi tiết có không gian hẹp như hàn trong những đường ống hay lỗ hẹp và hàn những tấm vật liệu mỏng Phương pháp hàn bằng tia laser có khả năng hàn và cắt ở trong bất kỳ điều kiện nào, các mối hàn có kích thước nhỏ và có chất lượng cao Các dạng vật liệu có thể hàn được đa dạng như: thép, nhôm, đồng, titan, niken, hợp kim magie …

Hình 26: Công nghệ hàn laser 4.3 Hàn bằng siêu âm:

Thực chất của quá trình hàn bằng siêu âm là dòng điện cao tần tạo ra dao động siêu âm, dao động này truyền vào bộ phận tiếp xúc với vật hàn gây nên hiện tượng biến dạng dẻo ở trên bề mặt tiếp xúc của vật hàn Nhờ có lực nén tác dụng làm cho các chi tiết hàn dính chặt lại với nhau

Phương pháp hàn này có ưu điểm:

Không cần nung nóng chi tiết hàn đến nhiệt độ chảy

Công suốt máy phát siêu âm không lớn

Trang 23

Hàn được những chi tiết mà bề dày được sơn hay phủ một lớp oxit kim loại

Hàn được những lá là kim loại hay phi kim rất mỏng hay những tấm kim loại dày hơn

4.1.5 Hàn bằng tia điện từ:

Khi hàn bằng tia điện từ, năng lượng để nung nóng kim loại là do sự bắn phá mãnh liệt của các điện từ vào mối hàn Điện từ va chạm vào bề mặt chi tiết hàn với tốc độ rất lớn biền năng lượng của điện từ thành nhiệt năng làm nóng chảy kim loại hàn Dùng để hàn kim loại nguyên chất, kim loại khó nóng chảy, hàn kim loại có ái lực mạnh với oxy

Trong nền công nghệp tàu thuỷ những phương pháp hàn thường được sử dụng đó là phương pháp hàn MIG, MAG và hàn hồ quang chìm Những phương pháp hàn trên cho ta mối hàn có chất lượng mà năng suất cao, thiết bị gọn nhẹ dễ vận chuyển

5 CÁC ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU TRONG QUÁ TRÌNH HÀN VỚI

ROBOT:

Để nhận được mối hàn có chiều rộng lớn, que hàn phải có di chuyển qua lại Dao động này còn tạo điều kiện tập trung nhiệt ở mép mối hàn làm cho mối hàn ngấu sâu và đều Để chọn kiểu dao động qua lại là tùy thuộc vào trình độ và thói quen của người thợ cũng như khả năng thực hiện của robot

Một số quĩ đạo dao động của đầu hàn:

Hình 27: Các dạng đường hàn

Trang 24

Trường hợp vật dày, hàn một lớp không ngấu hết, phải hàn nhiều lớp:

Hình 28: a) Hàn 1 lớp, b) Hàn nhiều lớp so le, c) Hàn nhiều lớp chồng lên

nhau Khi hàn một hay nhiều lớp phải tìm biện pháp chống biến dạng, do đó phải tuỳ vào chiều dài mối hàn mà thực hiện những biện pháp công nghệ khác nhau:

- Đối với mối hàn ngắn (L<500mm) có thể bắt đầu hàn từ giữa hàn ra theo chiều mũi tên

- Đối với mối hàn trung bình (L<=1000mm) và dài (L>1000mm) phải tiến hành phân đoạn để hàn:

Hình 29: Phương pháp hàn chồng (Trên đó mũi tên dài biểu thị đường hàn,

mũi tên ngắn biểu thị phương pháp phân đoạn)

Khi hàn nhiều lớp còn có thể hàn chồng thẳng và hàn chồng leo; lớp sau chồng lên lớp trước chưa kịp nguội làm giảm tốc độ nguội

Tùy vào công nghệ hàn đối với từng loại chi tiết hay sản phẩm mà đòi hỏi robot phải thực hiện theo đúng những yêu cầu công nghệ như: chuyển động zigzag hay hàn chồng nhiều lớp…

Các phương pháp tạo ra quĩ đạo chuyển động công nghệ hàn: Quĩ đạo công nghệ được sử dụng trong robot hàn thường có dạng zigzag hay circle Để thực hiện các chuyển động trên có 2 phương pháp:

+ Gắn thêm cơ cấu phụ: Cơ cấu này thướng gắn ở khâu cuối, robot sẽ di chuyển khâu cuối có mang đầu hàn theo quĩ đạo hàn và cơ cấu phụ sẽ tạo chuyển động quĩ đạo công nghệ

Trang 25

Hình 32: Quĩ đạo công nghệ hàn được tạo ra do kết hợp chuyển động của các

khớp

Trang 26

6 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TÀU THUỶ:

6.1 Cấu tạo thân tàu:

Thân tàu một vỏ mỏng kín nước, bên trong được gia cường bằng một hệ các dầm nẹp cứng tạo thành một khung xương Sàn tàu Các kết cấu chính của thân tàu là những khung giàn tạo thành bởi tôn bao và khung xương Kết cấu thân tàu gồm các bộ phận sau:

a) Kết cấu dọc gồm: tôn bao thân tàu, tôn boong, tôn sàn, tôn đáy đôi, các vách dọc, tất cả các dầm dọc đáy, mạn và boong

b) Kết cấu ngang gồm: tôn bao, tôn boong, sàn, các vách ngang và tất cả các dầm ngang (sườn xà ngang và xà ngang boong)

c) Khung giàn là tập hợp các tấm và nẹp cứng và gia cường của các tấm này Người ta phân ra khung giàn đáy, khung giàn mạn và khung giàn boong Mõi khung giàn lại là đế tựa của khung giàn khác

d) Tôn bao là một vỏ kín nước bao quanh thân tàu

e) Boong là khung dàn nằmg ngang ở trong thân tàu, chạy suốt chiều rộng và chiều dài tàu

f) Sàn là khung dàn nằm ngang trong thân tàu và không chạy suốt chiều dài hay chiều rộng tàu

g) Khoảng không giữa 2 boong là khoảng giữa các boong hoặc các sàn với nhau

h) Vách là khung dàn làm từ các tấm và nẹp gia cường bao gồm vách kín nước, vách kín dầu và vách hở

i) Vách mũi là vách ngang thứ nhất kể từ mũi tàu Vách này tạo với phần mũi thành khoang mũi

j) Vách đuôi là vách cuối cùng ở thân tàu tạo thành khoang đuôi

k) Hầm trục chân vịt là một hầm kín nước để đưa đường trục từ buồng máy ra phía đuôi

l) Hệ khung xương là tập hợp các kết cấu gia cường cho tôn bao, bao gồm khung xương đáy, khung xương mạn, khung xương boong và khung xương vách Những dầm gia cường cho khung dàn thường đi theo 2 hướng thẳng góc với nhau: hướng dọc và hướng ngang Dầm của hướng này đỡ dầm của hướng kia Trong đó những dầm cứng hơn gọi là dầm ngáng, dầm ít cứng hơn gọi là dầm hướng chính Theo hướng của dầm hướng chính người ta phân loại hệ thống khung xương của tàu thành: hệ thống ngang có các dầm hướng chính đi từ mạn này sang mạn kia của tàu, hệ thống dọc các dầm hướng chính đi dọc theo tàu Hệ thống khung xương dọc áp dụng cho các tàu lớn Ngoài ra còn có hệ thống hỗn hợp

Trang 27

C.

Trang 28

Trang 29

6.2 Công nghệ đóng tàu:

6.2.1 Chế tạo bán thành phẩm:

Để cơ giới hoá các công tác chế tạo vỏ, khả năng hợp l ý hóa dây chuyền sản xuất, các kết cấu thân tàu bằng kim loại thường được phân thành: cụm chi tiết, phân đoạn và tổng đoạn

Chi tiết là một bộ phận không thể phân chia, thường được chế tạo bằng cách gia công các tấm hoặc thép hình bằng đột, dập cắt

Cụm chi tiết là một bộ phận của phân đoạn hoặc kết cấu của thân tàu được lắp ráp từ hai phía hoặc nhiều chi tiết riêng biệt

Phân đoạn là một bộ phận công nghệ cuối cùng của thân tàu thủy hoặc của một kết cấu riêng biệt của thân tàu (đáy, mạng boong, ), Có phân đoạn thẳng hoặc phân đoạn khối và trong từng loại phân đoạn đó, ta có thể phân biệt nhiều loại khác nhau

6.2,2 Chế tạo cụm chi tiết thanh:

Cụm chi tiết thanh thông thường nhất đuợc cấu tạo từ hai hoặc nhiều thanh bán kim loại thành kết cấu có profin dạng chữ T hoặc chữ I để sử dụng là các chi tiết gia cường chính ( Ví dụ: đường sườn chính, đà dọc đáy, xà dọc boong ) Việc chế tạo bao gồm các bước cơ bản:

- Lắp các chi tiết kết cấu với nhau và ép giữ các chi tiết đó

- Hàn đính các chi tiết với nhau

- Hàn

- Kiểm tra hình dạng và nắn thẳng nếu cần

6.2.3 Chế tạo phân đoạn thẳng:

Phân đoạn thẳng được chế tạo từ tấm và các gia cường làm cứng Các phân đoạn thẳng tiêu biểu nhất là phân đoạn vách dọc, vách ngang, phân đoạn mạng, phân đoạn boong, phân đoạn đáy đơn Việc chế tạo phân đoạn thẳng theo trình tự sau:

- Chế tạo chi tiết tôn bao

- Vạch dấu trên cụm chi tiết tôn bao và lắp đặt các chi tiết khung nhóm I

- Hàn các khung xương nhóm I với khung bao

- Lắp đặt các chi tiết khung xương nhóm II và một số các trang thiết bị khác

- Hàn các chi tiết khung xương nhóm II

- Nắn thẳng phân đoạn

Trang 30

- Vạch dấu lại đường bao phân đoạn có lưu ý tới lượng dư lắp ráp

- Cắt phân đoạn theo kích thước vạch dấu

- Thử độ kín và nghiệm thu phân đoạn

- Vận chuyện phân đoạn tới kho bán thành phẩm

6.2.4 Chế tạo phân đoạn khối:

Phân đoạn khối được chế tạo từ các phân đoạn thẳng và các cụm chi tiết Việc chế tạo phân đoạn khối bao gồm:

- Chế tạo các cụm chi tiết tấm bao đáy trong và ngoài

- Lắp đặt các khung sườn nhóm I lên cụm chi tiết tấm bao đáy trong đạ được lật ngược sau đó hàn bằng máy tự động các kết cấu đó với nhau

- Lắp đặt các khung sườn nhóm II và hàn bằng phương pháp thủ công

- Cẩu lật cả phân đoạn đáy trong, úp đặt lên tôn bao đáy ngoài và tiến hành hàn với đáy ngoài

Các công tác kết thúc hoàn chỉnh và giao nhận, nghiệm thu phân đoạn

6.2.5 Chế tạo tổng đoạn:

Bao gồm các công đoạn sau:

- Đặt các phân đoạn đáy, trước hết đặt dọc theo các mặt phẳng, đường sườn, sau đó theo mặt phẳng đối xứng và ở chiều nằm ngang đựa vào mặt phẳng mớn nước

- Đặt phân đoạn vách ngang dựa vào đường nước và trục đối xứng vách Do phân đoạn vách còn có lượng dư nên phải đặt vách cao hơn vị trí một đoạn bằng lượng dư

- Dùng compa vạch đường bao chính xác của vách sau đó cắt phần dư không cần thiết và hạ vách xuống Nếu tổng đoạn chỉ có một vách ngang thì đầu kia phải lắp đặt thêm vách lắp ráp

- Lắp đặt đoạn mạn tàu dựa vào đường nước và mặt phẳng đường sườn

- Lắp đặt phân đoạn boong Vị trí phân đoạn boong được xác định dựa theo dấu của mặt phẳng đối xứng, mặt phẳng đường sườn và chiều cao ở mạn

Trang 31

Hình 35: Quy trình công nghệ chế tạo tàu thủy

Như vậy trong công việc chế tạo bán thành phẩm thì công nghệ hàn chiếm tỉ trọng lớn nhất hầu như bất cứ giai đoạn nào thì đều có sự tham gia của công nghệ hàn Trên thế giới, trong giai đoạn này các xưởng sản xuất hay các công ty hàn đầu trên thế giới đều sử dụng phưong pháp hàn tự động bằng các robot, việc này giúp cho năng suất tăng lên rất nhiều, chất lương mối hàn tương đối đồng đều và mang

Trang 32

lại hiệu quả cao Tuy nhiên ở Việt Nam trong giai đoạn chế tạo bán thành phẩm thì

tỉ trọng hàn tự động còn rất ít, việc sử dụng nhân công là chủ yếu Chính vì vậy việc hàn tự động bằng các robot trong giai đoạn này là rất cần thiết đặt biết là trong các công đoạn hàn khung sườn và sàn tàu

Vì phạm vi ứng dụng của robot hàn trong ngành công nghiệp đóng tàu là rất lớn nên nội dụng thực hiện của đề tài chỉ thực hiện thiết kế chế tạo robot dùng đề hàn sàn tàu

7 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI:

Đề tài với những mục tiêu sau:

- Nghiên cứu tính toán thiết kế cấu trúc, cấu tạo cơ khí và các công cụ phụ trợ cho robot hàn tự hành trong mặt phẳng ngang Robot với cấu trúc gọn, nhẹ dễ vận chuyển và dễ vận hành có giá thành phù hợp với thị trường trong nước

- Nghiên cứu tính toán giải pháp nhận biết các tọa độ trên quĩ đạo hàn cắt

- Điều khiển Robot thực hiện hàn cắt theo biên dạng cong phức tạp

Và đó cũng chính là mục tiêu của đề tài luận văn:

“Tính toán điều khiển Robot thực hiện hàn cắt theo biên dạng cong

phức tạp”

Trang 33

CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI PHÁP KỸ THẬT CÔNG NGHỆ

1 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ GIẢI PHÁP VỀ CẤU TRÚC, BỐ TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT HÀN TỰ HÀNH TRONG MẶT PHẲNG NGANG:

1.1.Các giai pháp về cấu trúc hiện có trên thế giới về robot hàn tự hành:

1.1.1 Robot hàn tự hành của Hãng BugO:

Dạng thứ 1: Dạng tự hành dùng để hàn góc, không có cơ cấu tạo chuyển

động công nghệ

Các bộ phận gồm có:

− Cụm truyền động: Giúp robot di chuyển

− Cụm điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, lên chương trình hàn Dạng robot này sử dụng nguồn điện AC được cấp từ ngoài

− Cụm kẹp đuốc hàn: Điều chỉnh vị trí và giữ cố định đuốc hàn

Hình 36: Robot hàn tự hành dùng hàn góc của BugO

Ưu nhược điểm: Chuyên dùng để hàn góc, đối với những đường hàn

có độ cong thì không thể hàn được Không tạo ra chuyển động công nghệ trên đường hàn do đó chỉ hàn được những mối hàn nhỏ Cần có người công nhân theo dõi và điều chỉnh vị trí trong quá trình hàn

Trang 34

Robot dạng này đã được các thầy cô trường Đại học Bách Khoa TPHCM nghiên cứu nhưng có mức độ tự động hoá cao hơn và cũng đã đạt được những kết quả tốt

Dạng thứ 2: Dạng tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn góc,

− Cụm điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh hướng hàn Dạng này sử dụng nguồn điền DC từ pin

− Cụm tạo chuyển động công nghệ hàn: Tạo chuyển động zigzag cho mối hàn

Hình 37: Robot hàn tự hành dùng hàn phẳng và góc của BugO

Ưu nhược điểm: Có thể dùng để hàn góc và hàn phẳng, có thể hàn những đường hàn có độ cong nhỏ Có bộ phận tạo ra chuyển động công nghệ nên có thể hàn những vết hạn có bề rộng lớn hơn và tạo cho đường hàn có độ chắc

và bền cao Nhược điểm của dạng robot này là cần có người công nhân theo dõi và điều chỉnh robot trong quá trình hàn

Trang 35

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

− Cụm ray trượt: Dẫn hướng di chuyển cho robot

− Cụm điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh hướng hàn, có thể lập trình đường hàn Dạng này sử dụng nguồn điền AC

− Cụm tạo chuyển động công nghệ hàn: Tạo chuyển động rig rắc cho mối hàn

Hình 38: Robot hàn tự hành dùng hàn đứng của BugO

Ưu nhược điểm: Có thể dùng để hàn góc và hàn phẳng, có thể hàn những đường hàn có độ cong nhỏ Có bộ phận tạo ra chuyển động công nghệ nên có thể hàn những vết hạn có bề rộng lớn hơn và tạo cho đường hàn có độ chắc và bền cao.Không cần công nhân theo dõi, có mức độ tự động hoá cao hơn

Trang 36

1.1.2 Robot hàn tự hành của Hãng khác:

Đều có cùng công dụng vào những bộ phận tương tự như những sản phẩm robot của hãng BugO

Hình 39: Robot hàn của hãng KISTLER (Đức)

Hình 40: Robot hàn của Hàn Quốc

1.1.3 Mục tiêu đề ra cho robot hàn cắt:

− Mục tiêu đề ra ở đây là chế tạo robot với cấu trúc gọn, nhẹ dể vận chuyển và dễ vận hành có giá thành phù hợp với thị trường trong nước

− Với cấu trúc gọn nhẹ ( khối lượng không quá 15kg) người công nhân

có thể vận chuyển robot đển những nơi cần hàn một cách nhanh chóng và tạo

ra những đường hàn đẹp đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật

Trang 37

− Dựa vào những dạng robot trên, nhằm nâng cao mức độ tự động hoá

và phù hợp với điều kiện đóng tàu tại Việt Nam, một robot hàn tự hành cần có những bộ phận sau:

Bộ phận giữ đầu hàn

Bộ phận tạo chuyển động công nghệ hàn

Bộ phận nhận dạng đường hàn

Hệ thống điện và các bo mạch điều khiển

Bộ phận truyền động di chuyển robot:

Bộ phận lái chuyển hướng

Bộ phận dò đường dẫn hướng ( giúp robot di chuyển theo đường thẳng: có thể dùng sensor hay ray dẫn hướng)

Các bộ driver điều khiển động cơ (vì cần độ chính xác nên ta

sử dụng động cơ step hay servo)

1.2 BỐ TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT:

1.2.1 Nguyên lý hoạt động của robot tự hành hàn sàn tàu:

Nguyên lý hoạt động chung của robot như sau:

Robot sẽ được người công nhân đặt trên sàn tàu gần đường hàn Robot sẽ di chuyển trên sàn tàu, dò tìm và nhận biết đường hàn Khi phát hiện ra đường hàn robot sẽ điều chỉnh đầu hàn vào đúng vị trí nhận được và thực hiện quá trình hàn

Do đó yêu cầu đặt ra cho robot hàn là:

Di chuyển, bám theo đường hàn

Nhận dạng vị trí đường hàn

Giữ đuốc hàn và điều chỉnh đuốc hàn vào đúng vị trí cần hàn

Tạo ra chuyển động công nghệ hàn

1.2.2 Phân tích lựa chọn phương án cho robot hàn:

Dựa vào những yêu cầu trên, ta có các nguyên lý đưa ra cho robot như sau:

¾ Phương án 1: Robot di chuyển song song với đường hàn với 1 khoảng cách nhất định (di chuyển trên ray hay tạo vách dẫn hường), khi dùng vách dẫn hướng ta có thêm bộ phận tựa vào vách để dẫn hướng và đảm bảo vị trí của đầu hàn và đường hàn

Trang 38

Hình 41: a) Phương án 1 với dẫn hướng là vách đứng: (1) Vách đứng, (2) (6) Đầu

dò, (3) Cụm giữ tay hàn, (4) Đầu hàn, (5) Đường hàn

b) Phương án 1 với dẫn hướng là ray trượt: (1) Ray dẫn hướng, (2) Đường hàn ,

(3) Đầu hàn , (4) Cụm giữ tay hàn, (5) Đường hàn

¾ Phương án 2: Robot tự chuyển động chạy dọc theo đường hàn (không có cơ cấu bẻ lải và cơ cấu dẫn hướng), trên robot có cơ cấu dò (dùng cảm biến hồng ngoại, cảm biến quang, siêu âm, laser hay camera) sẽ di chuyển dọc vuông góc với đường hàn để nhận biết vị trí 2 bên mép của đường hàn Từ những toạ độ này và khoảng cách từ đầu dò tới đầu hàn ta sẽ đưa ra được vị trí cần hàn

Hình 42 : (1) Cụm di chuyển đầu dò, (2) Đầu dò đường hàn, (3) Đường hàn, (4)

Đầu hàn, (5) Cụm di chuyển tay hàn

Trang 39

¾ Phương án 3: Tương tự phương án 2 nhưng robot sẽ di chuyển trên đường ray hay sẽ tựa vào vách đứng (tự tạo ra) được đặt song song với đường hàn để dẫn hướng cho robot hàn

Hình 43: a) Phương án 3 với ray dẫn hướng: (1) ray dẫn hướng,

(2) cụm giữ và di chuyển đầu dò, (3) đầu dò đường hàn, (4) đầu hàn, (5) đường hàn, (6) cụm giữ và di chuyển đầu hàn

Trang 40

a) b)

Hình 44 : a) Phương án 4 với dẫn hướng nằm ngoài: (1) Đầu dò đường dẫn hướng, (2) Đường line trắng dẫn hướng, (3) Bộ phận lái, (4) đầu dò , (5) Đầu hàn, (6) Đường hàn, (7) cụm giữ và di chuyển đầu hàn, (8) cụm giữ và di chuyển đầu dò b) Phương án 4 với dẫn hướng nằm trong: (1) Đường line trắng dẫn hướng , (2) Bộ phận lái, (3) đầu dò ,(4) Đầu hàn ,(5) Đường hàn ,(6) cụm giữ và di chuyển đầu hàn

,(7) cụm giữ và di chuyển đầu dò, (8) Đầu dò đường dẫn hướng

¾ Phương án 5: Tương tự như phương án 4 nhưng robot bẻ lái bằng cách thay đổi tốc độ của từng bánh xe sau và 2 bánh xe trước tự lựa để điều chỉnh hướng

Hình 45 : Phương án 5 với cách điều khiển lái bằng 2 bánh sau: (1) đường dẫn hướng, (2) Bánh lái tự lựa, (3) Đầu dò đường hàn, (4) Tay hàn, (5) Đường hàn, (6) cụm giữ và di chuyển đầu hàn, (7) cụm giữ và di chuyển đầu

dò, (8) Cụm dò đường dẫn hướng

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	3,82 MB