Nghiên cứu điều khiển dò theo đường hàn sử dụng cảm biến hàn hồ quang quay

Khi đầu hàn quay trong mối hàn rãnh chữ “V”, dựa vào giá trị cường độ dòng điện hồ quang theo từng chu kỳ ta xác định được hướng lệch và độ lệch của đầu hàn so với tâm rãnh hàn theo thời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o -

NGUYỄN THÀNH LUÂN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN

DÒ THEO ĐƯỜNG HÀN

SỬ DỤNG CẢM BIẾN HÀN HỒ QUANG QUAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số: 10391065

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp HCM, Tháng 06/2012

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này hoàn thành, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy Nguyễn Tấn Tiến, người thầy đã hướng dẫn cho em thực hiện phần lớn luận văn này, chỉ cho

em phương pháp nghiên cứu, cung cấp rất nhiều tài liệu nghiên cứu quý giá, và tạo điều kiện làm việc hết sức thuận lợi để em hoàn thành luận văn này

Em xin cảm ơn thầy Phan Tấn Tùng, thầy Nguyễn Văn Giáp, thầy Trần Thiên Ph c, thầy B i Tr ng Hiếu, thầy Chung Tấn Lâm, thầy Từ Diệp Công Thành, thầy Đoàn Thế Thảo, thầy Phạm C ng B ng, thầy V Tường Qu n, c ng u thầy cô ở bộ m n Cơ điện tử, khoa Cơ khí, và toàn thể thầy cô ở trường Đại h c Bách khoa TP.HCM, những người đã tận tình, ân cần dạy bảo em trong suốt những năm h c vừa qua

Con xin cảm ơn ba mẹ, cảm ơn gia đình đã lu n uan t m và ủng hộ Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả những người bạn đã góp phần giúp tôi hoàn thành luận văn này

TPHCM, ngày 15 tháng 06 năm 2012

Nguyễn Thành Luân

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Bài toán dò đường hàn b ng cảm biến hàn hồ quang quay dựa trên cơ sở hiện tượng biến đổi cường độ dòng điện hàn khi đầu hàn vừa quay vừa di chuyển bám theo rãnh hàn Khi đầu hàn quay trong mối hàn rãnh chữ “V”, dựa vào giá trị cường độ dòng điện hồ quang theo từng chu kỳ ta xác định được hướng lệch và độ lệch của đầu hàn so với tâm rãnh hàn theo thời gian thực Đ y là cơ sở cho bài toán điều khiển đầu hàn bám theo rãnh hàn

Có nhiều giải thuật điều khiển có thể áp dụng để điều chỉnh đầu hàn bám theo rãnh hàn

áp dụng cảm biến hàn hồ uang uay như điều khiển mờ, điều khiển neural network,

hệ điều khiển thích nghi, hệ lai giữa neural network và fuzzy….Luận văn này tập trung nghiên cứu áp dụng điều khiển fuzzy - PID vào bài toán bám đường hàn sử dụng cảm biến hồ quang quay

ABSTRACT

This thesis presents a rotating arc sensor model using fuzzy logic controller to control

a 2D table with two DC motors and two ball screws that carries a welding torch during the process of automatic seam tracking of arc welding Input data of the controller is the deviation of average currents between the two half-cycles of current corresponding two half-cycles rotating of the torch on the left and the right of centerline of the welding track The scaling factors and control variables of the fuzzy logic controller were determined by simulated experiments and proven by actual experiments The controller was comprised of a regression model, expressing the relationship between the average current deviation and offset distance through weaving experiments Finally, the direction and and the speed of motors are calculated

LỜI CAM ĐOAN

T i xin cam đoan luận văn này do t i thực hiện với sự hướng dẫn của thầy hướng dẫn, các phần trích đã có ghi ch tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có bất cứ gian dối nào xảy ra trong luận văn

Nguyễn Thành Luân

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN 1

1.1 KHÁI NIỆM 1

1.1.1 Hàn hồ quang nóng chảy trong m i trường khí bảo vệ 1

1.1.2 Các loại cảm biến hàn 3

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI 7

2 BÀI TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHI N CỨU 9

2.1 BÀI TOÁN 9

2.1.1 Nguyên l cảm biến hàn hồ uang uay 9

2.1.2 Mục tiêu bài toán 11

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHI N CỨU 12

3 MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 13

3.1 M H NH HÓA 13

3.2 M PH NG CƯỜNG ĐỘ D NG HÀN 16

3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 17

3.3.1 Xác định độ lệch cường độ dòng và hướng lệch của đầu hàn 17

3.3.2 Giải thuật điều khiển 20

3.3.3 Mô phỏng quá trình hàn dùng giải thuật điểu khiển mờ 25

4 X DỰNG M H NH THỰC NGHIỆM 29

4.1 TỔNG QUAN M H NH THỰC NGHIỆM 29

4.2 CẢM BIẾN ĐO DÒNG VÀ NGUỒN ĐIỆN HÀN 29

4.2.1 Cảm biến Hall 29

4.2.2 Máy hàn 31

4.3 CƠ CẤU QUA Đ U HÀN 31

4.4 HỆ THỐNG DI CHU ỂN V TRÍ Đ U HÀN 33

4.4.1 Kiểm nghiệm độ bền trục d c 34

4.4.2 Kiểm nghiệm độ bền trục ngang 36

4.5 TỔNG THỂ M H NH CƠ KHÍ 38

4.6 MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 39

4.6.1 Khối mạch nguồn 44

4.6.2 Khối driver điều khiển động cơ 46

4.6.3 Khối giao tiếp với máy tính 47

4.6.4 Khối đ c tín hiệu cường độ dòng điện hàn 48

4.6.5 Mạch điện thực tế sau cùng 49

5 GIẢI THUẬT X L TÍN HIỆU 50

5.1 MỘT SỐ NGUYÊN TẮC LẤY MẪU 50

5.1.1 Định lý lấy mẫu 50

5.2 BỘ LỌC IR 53

5.2.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ l c số thực tế 53

5.2.2 Bộ l c IR pha tuyến tính 54

5.3 PHƯƠNG PHÁP LỌC DÙNG CHUYỂN ĐỔI FOURIER 58

5.3.1 Giới thiệu T 58

5.3.2 Bản chất của biến đổi ourier rời rạc 59

5.3.3 Biến đổi ourier nhanh 59

5.3.4 Ứng dụng l c FFT vào xử lý tín hiệu hàn 60

5.4 NHẬN XÉT 63

6 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN V TRÍ Đ U HÀN 64

6.1 CHƯƠNG TR NH CHÍNH 64

6.2 CÁC CHƯƠNG TR NH CON 64

6.3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC HÀN (PID VẬN TỐC) 68

7 THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 72

7.1 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC33F256MC710 72

7.2 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN TMS320F28335 74

DANH MỤC CÁC H NH

Hình 1-1 Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong m i trường khí bảo vệ 1 :Hướng hàn; 2 :Đầu hàn; 3 :Điện cực; (4):Khí bảo vệ; (5):Kim loại hàn nóng chảy; (6):Vết

hàn; (7): Phôi hàn 2

Hình 1-2 Cảm biến đầu dò tiếp x c 4

Hình 1-3 Cảm biến điện từ 5

Hình 1-4 Cảm biến lazer quang h c 6

Hình 1-5 Cảm biến siêu âm 6

Hình 1-6 Nguyên lý cảm biến hồ quang 7

Hình 2-1 Mối quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ quang 9

Hình 2-2 Mô hình lý thuyết hàn và dòng điện hàn a :M hình hàn; b :Độ lệch đầu hàn; c :Cường độ dòng điện mô phỏng quá trình hàn 11

Hình 2-3Phương pháp tiếp cận, nghiên cứu đề tài 12

Hình 3-1 Mô hình toán h c tương đương uá trình hàn MIG/MAG 13

Hình 3-2 Mô hình tính chiều dài hồ quang 14

Hình 3-3 Cường độ dòng điện hàn trong điều kiện l tưởng 16

Hình 34 Cường độ dòng điện hàn khi đầu hàn bị lệch một khoảng kh ng đổi error -2mm lệch phải 16

Hình 3-5 Cường độ dòng điện hàn khi đầu hàn đi từ lệch bên phải sang lệch bên trái 17 Hình 3-6 Nguyên tắc xác định hướng lệch đầu hàn 19

Hình 3-7 Tổng quan mô hình bộ điều khiển dùng Fuzzy 21

Hình 3-8 Hàm liên thuộc của đầu vào ei 22

Hình 3-9 Hàm liên thuộc của đầu vào dei 22

Hình 3-10 Hàm liên thuộc của đầu ra distance 23

Hình 3-11 ơ đồ m phỏng vị trí đầu hàn b ng bộ điều khiển mờ 26

Hình 3-12 Ngõ vào bộ điều khiển mờ 27

Hình 3-13 Tín hiệu ngõ ra bộ điều khiển mờ 27

Hình 3-14 Vận tốc dịch chuyển đầu hàn(s – mm/s) 28

Hình 3-15 Vị trí đầu hàn(s – mm/s) 28

Hình 4-1 Cảm biến Hall đo dòng điện hàn 30

Hình 4-2 Mô hình tổng thể cơ cấu uay đầu hàn 31

Hình 4-3 Kết cấu truyền động cơ cấu uay đầu hàn 33

Hình 4-4 Mô hình tổng quan bàn máy 2D 34

Hình 4-5 M hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi thẳng 38

Hình 4-6 M hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi cong 38

Hình 4-7 Tổng uan m hình điều khiển 40

Hình 4-8 Mạch điều khiển trung tâm 40

Hình 4-9 Mạch lave điều khiển động cơ 41

Hình 4-10 ơ đồ khối chức năng của TMS320F28335 43

Hình 4-11 ơ đồ khối hoạt động của mạch điện dùng TMS320F28335 44

Hình 4-12 Khối ổn áp nguồn logic 45

Hình 4-13 Khối nguồn cho lõi TMS320F28335 46

Hình 4-14 Khối Driver điều khiển động cơ d ng LMD18201 46

Hình 4-15 Khối truyền thông nối tiếp với máy tính dùng PL2303HX 47

Hình 4-16 Mạch nối nguồn cho Hall sensor và bộ l c thông thấp (Theo SLOA024B-Texas Instrument-9/2002) 48

Hình 4-17 Mạch điều khiển và Mạch nạp 49

Hình 4-18 Mạch driver điều khiển động cơ 49

Hình 5-1 Bộ lấy mẫu l tưởng 50

Hình 5-2 Phổ bị lặp do lấy mẫu 51

Hình 5-3 Bộ tiền l c chống chồng lấn phổ - L c thông thấp 52

Hình 5-4 Bộ tiền l c chống chồng lấn phổ thực tế 52

Hình 5-5 Đáp ứng biên độ của bộ l c số thực tế thông thấp và các tham số 53

Hình 5-6 Fdatool hỗ trợ tổng hợp bộ l c FIR 57

Hình 5-7 Đáp ứng biên độ bộ l c FIR 58

Hình 5-8 L c T 128 điểm tìm độ lệch cường độ dòng điện 62

Hình 6-1 Giải thuật điều khiển cho chương trình chính 64

Hình 6-2 Chương trình con đ c ADC 65

Hình 6-3 Chương trình tìm các cực trị 65

Hình 6-4 Chương trình tìm cực đại 66

Hình 6-5 Chương trình tìm cực tiểu 66

Hình 6-6 Giải thuật điều khiển chính 67

Hình 6-7 Giải thuật tính toán bộ điều khiển fuzzy 68

Hình 6-8 ơ đồ khối bộ điều khiển PID 69

Hình 6-9 Lưu đồ giải thuật bộ điều khiển PID 71

Hình 7-1 Cường độ dòng điện hàn thu được từ vi điều khiển 72

Hình 7-2 Cường độ dòng hàn (phóng to) 72

Hình 7-3 Cường độ dòng hàn sau khi l c FFT 73

Hình 7-4 Cường độ dòng sau l c FFT (phóng to) 73

Hình 7-5 Toàn bộ tín hiệu cường độ dòng hàn trong 25s 74

Hình 7-6 Cường độ dòng hàn (phóng to ở đoạn đầu) 74

Hình 7-7 Một đoạn tín hiệu cường độ dòng điện có 2 cực trị 75

Hình 7-8 Một đoạn tín hiệu cường độ dòng điện có 4 cực trị 75

Hình 7-9 Tín hiệu khi hàn đường thẳng (nghiêng 8 o ) 76

Hình 7-10 Một đoạn tín hiệu khi hàn đường thẳng 77

Hình 7-11 Tín hiệu khi hàn đường cong 77

Hình 7-12 Một đoạn tín hiệu khi hàn đường cong 77

Hình 7-13 M hình cơ khí hệ thống hàn thực nghiệm 78

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Các loại cảm biến hàn và cấu hình 3

Bảng 3-1 Các luật suy diễn mờ 24

Bảng 4-1 Thông số cảm biến Hall 30

Bảng 5-1 Các loại cửa sổ và tham số 56

1 TỔNG QUAN

1.1 KHÁI NIỆM

Hàn là một phương pháp nối các chi tiết thành một khối không tháo rời được b ng cách nung nóng ch ng đến trạng thái chảy hay dẻo, sau đó có thể dùng hay không dùng áp lực để ép chi tiết hàn dính chặt với nhau Khi hàn ở trạng thái chảy, kim loại

bị nóng chảy, sau đó kết tinh thành mối hàn Có trường hợp không cần nung nóng mà chỉ dùng áp lực làm kim loại đạt đến trạng thái dẻo và dính chặt lại với nhau

Hàn được dùng rất rộng rãi trong m i ngành sản xuất bởi các đặc điểm: chính xác, tin cậy và hiệu quả (kinh tế) Trong một số ngành công nghiệp, ví dụ ngành đóng tàu thủy, công việc hàn chiếm tỉ tr ng rất lớn M i trường hàn là một m i trường độc hại Người công nhân phải làm việc trong m i trường ngột ngạt, chật hẹp, ô nhiễm tiếng ồn và khói hàn trong thời gian dài Do đó chất lượng mối hàn phụ thuộc vào trình độ tay nghề và sức khỏe của công nhân rất nhiều Đến nay, nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề ứng dụng robot hàn thay cho người c ng nh n đã được thực hiện nh m:

o Thực hiện một quá trình thao tác hợp lý và ổn định

o Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân

o Tăng năng suất

o Nâng cao chất lượng mối hàn

o Giảm giá thành

Có rất nhiều phương pháp hàn kim loại, tuy nhiên chỉ có một số phương pháp hàn có khả năng tự động hóa như hàn plasma, hàn b ng siêu âm, b ng tia điện từ, b ng tia laser và hàn hồ uang Trong đó phương pháp hàn hồ uang được sử dụng rộng rãi hơn cả trong công nghiệp do tính đơn giản và giá thành thấp Hàn hồ quang bao gồm hàn hồ quang khí bảo vệ và hàn hồ uang ue Trong đó, chỉ có phương pháp hàn hồ uang trong m i trường khí bảo vệ là có khả năng đáp ứng yêu cầu tự động hóa

1.1.1 Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ

Hàn hồ quang nóng chảy trong m i trường khí bảo vệ là quá trình hàn nóng chảy trong

đó nguồn nhiệt hàn được cung cấp bởi hồ uang được tạo ra giữa điện cực nóng chảy

(dây hàn) và vật hàn; hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi tác dụng của oxy và nitơ trong m i trường xung quanh bởi một loại khí hoặc hỗn hợp khí Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong m i trường khí bảo vệ được như Hình 1.1

Hình 1-1 Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ (1):Hướng hàn; (2):Đầu hàn; (3):Điện cực; (4):Khí bảo vệ; (5):Kim loại hàn nóng chảy; (6):Vết

hàn; (7): Phôi hàn

1.1.1.1 Ưu điểm

o Khắc phục được hạn chế về chiều dài điện cực có giới hạn trong phương pháp hàn

hồ quang b ng que hàn có thuốc b c do đó có thể thực hiện được các mối hàn dài

mà không cần dừng lại để gây hồ quang

o Có thể thực hiện công việc hàn ở tất cả các tư thế

o Tốc độ hàn cao hơn do điện cực được cấp liên tục và tốc độ điền đầy mối hàn cao hơn hàn với thuốc b c

o Có thể tạo được mối hàn với độ thâm nhập s u hơn so với hàn hồ quang b ng que

có thuốc b c khi sự chuyển dịch kim loại dạng bụi được sử dụng

o Tiết kiệm được thời gian làm sạch sau khi hàn do không có nhiều xỉ

1.1.1.2 Nhược điểm

o Thiết bị hàn phức tạp hơn, đắt tiền hơn và kém cơ động hơn so với phương pháp hàn hồ quang b ng thuốc b c

o Hàn hồ quang cần phải được bảo vệ chống lại tác dụng của không khí làm phân tán khí bảo vệ Điều này hạn chế việc sử dụng phương pháp này ngoài trời, trừ khi vùng khí bảo vệ được đặt xung quanh vùng hàn

1.1.2 Các loại cảm biến hàn

Bài toán tự động hóa hàn bao gồm 2 vấn đề quan tr ng là cảm biến và điều khiển Việc

ch n lựa cảm biến sẽ quyết định bài toán điều khiển Tất nhiên điều này ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của cả quá trình hàn

Có nhiều loại cảm biến hàn khác nhau, tuy nhiên để có thể sử dụng được cho tự động hóa quá trình hàn, cảm biến hàn phải đảm bảo các yêu cầu sau (Hirokazu Nomura, John E Middle, and Isao Masumoto, Sensors and Control Systems in Arc Welding, Chapma & Hall Inc., 1994):

o Kích thước nhỏ g n, kh ng làm gián đoạn quá trình hàn

o Độ tin cậy cao và hoạt động trong thời gian thực

o Không bị ảnh hưởng bởi m i trường hàn như: nhiệt độ hàn, khói hàn …

o Tính chống nhiễu trong m i trường công nghiệp cao

thermocouples and thermistors

CB khôn g tiếp

Cảm biến nhiệt độ photothermometers, infrared thermometers

Cảm biến quang h c (optics) point sensors (phototransistors, photodiodes),

linear sensors (charge-couple devices, metal oxide semiconductor, position-sensitive detector, industrial television)

Cảm biến âm thanh (sound) variable sound pressure, ultrasonic sound

detector probes

1.1.2.1 Cảm biến tiếp xúc

Cảm biến tiếp xúc là một loại cảm biến cho ra khoảng cách từ đầu dò đến rãnh hàn dưới dạng tín hiệu điện Đầu dò có thể có một bậc tự do (Hình 1-2a) hoặc hai bậc tự do (Hình 1-2b)

Hình 1-2 Cảm iến đầu tiế

1.1.2.2 Cảm biến điện từ

Cảm biến điện từ cung cấp tín hiệu ra của chiều cao H liên uan đến nền vật liệu kim loại bởi sự kích thích của cuộn d y điện bao xung quanh một lõi sắt được đặt vào nguồn điện áp AC và 2 cuộn dây khác lắp ghép vi sai như Hình 1-3

Hình 1-3 Cảm biến điện t

1.1.2.3 Cảm biến quang

Hình 1-4 là một ví dụ điển hình cảm biến laser, đ y là một hệ thống cảm biến mà ánh sáng từ diode lazer bán dẫn được quét xuyên qua bề mặt của mối nối Ánh sáng phản

xạ được thu nhận bởi đầu kiểm tra vị trí P D để xác định chiều cao của cảm biến từ

bề mặt, từ đó tính toán góc mối nối, chiều dày bề mặt khe hở rãnh hàn, diện tích mặt cắt ngang của rãnh hàn, và vị trí trung tâm của rãnh hàn Khi quét toàn bộ mối hàn chiều cao của xỉ hàn và biên dạng mối hàn có thể được xác định

Hình 1-4 Cảm biến lazer quang học

1.1.2.4 Cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm như Hình 1-5, có khả năng đo lường khoảng cách giữa cảm biến với nền vật liệu kim loại thông qua việc xác định khoảng thời gian từ thời điểm xung được phát ra đến thời điểm xung phản xạ được thu hồi Cảm biến này có thể kiểm tra được

vị trí của rãnh hàn cũng như dò lần theo đường hàn nhờ sự dao động của bộ phận này

Hình 1-5 Cảm biến siêu âm

1.1.2.5 Cảm biến dựa vào hiện tượng hồ quang

Đ y là loại cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi cường độ dòng điện liên quan mật thiết với sự thay đổi chiều cao của cột hồ uang như Hình 1-6

Cảm biến hồ quang giải phóng được việc phải sử dụng thiết bị xung uanh đầu hàn

Nó có thể kiểm tra vị trí rãnh hàn một cách trực tiếp hay cung cấp thông tin vị trí bề mặt của vũng hàn tan chảy dưới hồ quang trong hầu hết thời gian thực

Hình 1-6 Nguyên lý cảm biến hồ quang

Mỗi loại cảm biến có các đặc điểm riêng biệt và được sử dụng với các yêu cầu khác nhau Nghiên cứu này tập trung vào cảm biến hàn hồ quang quay vì các lý do: nhỏ

g n, không cần các thiết khác xung uanh đầu hàn, đơn giản, độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ áp dụng, không bị ảnh hưởng bởi nhiệt hàn và ánh sáng hồ quang

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI

Trên thế giới, rất nhiều nghiên cứu về cảm biên hàn hồ uang uay đã được thực hiện

và đăng trên các tạp chí khoa h c chuyên ngành Một số nghiên cứu gần đ y có thể được liệt kê như các mục [2]÷[11] trong tài liệu tham khảo Trong luận văn Tiến sỹ của mình, W.S Yoo[2] đã nghiên cứu ứng dụng các kết quả của C.H Kim và S.J Na[5], [6] về hàn hồ quang quay vào hàn tự động đường hàn 3D trong công nghệ đóng tàu Nhóm nghiên cứu của Y.B Jeon, S.K Jeong và cộng sự[3], [4] nghiên cứu thiết

kế cảm biến hàn hồ quang quay ứng dụng trong dò đường hàn cho robot hàn di động dạng hai bánh xe Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ được tính khả thi cao

Trong nước, cho đến thời điểm hiện tại vẫn chưa tìm thấy thông tin nào về các nghiên cứu liên uan đến việc thiết kế chế tạo cảm biến hàn hồ quang quay Một số nghiên cứu trong nước liên uan đến tự động hóa quá trình hàn ứng dụng trong sản xuất có thể được liệt kê như [12]÷[18] trong tài liêu tham khảo

2 BÀI TO N VÀ HƯ NG H NGHIÊN CỨU

2.1 BÀI TO N

2.1.1 Ngu n ảm iến hàn hồ quang quay

Nguyên lý cảm biến hồ quang

Hình 2-1 Mối quan hệ giữa ường độ ng điện hàn và chiều cao cột hồ quang

Như ta đã biết cường độ dòng điện hàn phụ thuộc mật thiết với chiều cao cột hồ quang hay khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn.Khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn càng nhỏ thì cường độ dòng điện hàn càng lớn, ngược lại cường độ dòng điện hàn càng nhỏ khi khoảng cách từ đầu hàn đến phôi càng lớn Hình 2-1 trình bày mối quan hệ giữa

ch ng, khi đầu hàn di chuyển từ vị trí 1 đến các vị trí 2-3, khoảng cách từ đầu hàn đến

ph i hàn càng l c được thu ngắn, cường độ dòng điện hàn cũng vì vậy mà tăng lên như

đồ thị hình bên trái Ngược lại, khi đầu hàn đi từ vị trí 3 về vị trí 4-5-1 thì cường độ dòng điện hàn cũng giảm theo Tuy nhiên, do có sự khác biệt chiều di chuyển đầu hàn, hay nói cách khác do ảnh hưởng của tốc độ cháy d y điện cực dương, dẫn đến khi đầu hàn đi từ 3 đến 4 chiều cao cột hồ uang tăng đột ngột, cường độ dòng điện hàn giảm đột ngột, khi đi từ 4 đến 5-1, chiều cao cột hồ quang giảm dần và cường độ dòng điện hàn tăng dần để đạt tới một trạng thái cân b ng ổn định giữa chúng trong quá trình hàn

hồ quang trên mặt phẳng

Người ta dựa vào mối quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ quang hay khoảng cách từ đầu hàn đến ph i để điều khiển đầu hàn bám theo đường hàn là nguyên tắc cảm biến hồ quang

Nguyên lý cảm biến hàn hồ quang quay

Cảm biến hàn hồ quang quay áp dụng cho các mối hàn rãnh chữ V, mối hàn góc(fillet), trong khuôn khổ luận văn này chỉ đề cập đến mối hàn rãnh chữ V, mối hàn góc có tính tương tự khi uay đầu hàn nghiêng 450 so với mối hàn rãnh chữ V

Cảm biến hàn hồ quang quay cũng dựa trên nguyên tắc của cảm biến hồ quang, nhưng đầu hàn được quay tròn với một vận tốc cố định Đầu hàn thay vì vừa được di chuyển

d c đường hàn vừa được lắc khi hàn thì trong hệ thống hàn với cảm biến hồ quang quay, đầu hàn vừa được quay tròn với một vận tốc cố định, vừa được di chuyển d c rãnh hàn chữ V như Hình 2-2a Khi đầu hàn uay, cường độ dòng điện hàn cũng thay đổi theo chu kỳ 2π

Trường hợp tâm quay của đầu hàn n m trên đường tâm rãnh hàn chữ V, vì bán kính uay đầu hàn cố định nên trong cùng chu kỳ quay, khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn bên phải và bên trái là b ng nhau dẫn đến cường độ dòng điện hàn ở nửa chu kỳ trái khi đầu hàn ở nửa bên trái rãnh hàn) và nửa chu kỳ phải khi đầu hàn ở nửa bên phải rãnh hàn) b ng nhau Cường độ dòng điện hàn trong trường hợp này được mô tả như đường nét liền trên Hình 2-2c, cực trái (L-left) và cực phải (R-right) b ng nhau Ở

đ y có sự khác biệt cường độ dòng hàn ở phía trước (Cf-Center front) và phía sau Center rear), đó là do khi đầu hàn qua cực điểm phía sau, kim loại hàn chảy ra đã bồi lên kim loại hàn của chu kỳ trước đó Đ y cũng là đặc điểm nhận dạng phía trước và phía sau, vì vậy khi uay đầu hàn theo một chiều cố định, ta lu n xác định được cực trái, phải, trước và sau của một chu kỳ tín hiệu

(Cr-Trường hợp tâm quay đầu hàn bị lệch về một phía bất kỳ so với tâm rãnh hàn, khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn bên phải và bên trái không b ng nhau, dẫn đến cường độ dòng hàn bên cực trái và cực phải cũng khác nhau Đường mảnh nét đứt ở Hình 2-2c thể hiện cường độ dòng điện hàn khi đầu hàn lệch về bên phải so với đường tâm rãnh hàn, dẫn đến cường độ dòng điện hàn bên cực phải(R) lớn hơn bên cực trái(L) Từ độ

lệch cường độ dòng điện hàn này ta sẽ điều khiển vị trí đầu hàn trong rãnh hàn để bù trừ độ lệch vị trí đầu hàn cho đến khi độ lệch cường độ về kh ng thì đầu hàn cũng được đưa về giữa rãnh hàn

Tip gap ed b)

Hình 2-2 Mô hình lý thuyết hàn à ng điện hàn (a):Mô h nh hàn; ( ):Độ lệch đầu hàn;

( ):Cường độ ng điện mô phỏng quá trình hàn

2.1.2 M ti u ài to n

Điều khiển uá trình hàn là bài toán điều khiển dựa vào các thông tin thu nhận được từ cảm biến trong uá trình hàn Bài toán điều khiển ở đ y có thể phân loại như sau:

o Dò đường hàn (seam tracking control of a welding line)

o Điều khiển thích ứng các thông số hàn (adaptive control for welding conditions)

o Kết hợp cả hai vấn đề trên (seam tracking control and adaptive control)

o Giám sát quá trình hàn (welding monitoring)

Đề tài này tập trung xác định độ lệch của đầu hàn trong rãnh hàn chữ V và giải quyết

toán thứ nhất: đường hàn trong rãnh hàn chữ V

Nghiên cứu này chỉ tập trung cho đường hàn trong mặt phẳng Kết quả này sẽ là cơ sở cho việc phát triển bài toán dò đường hàn 3D có ứng dụng rất nhiều trong thực tế công nghiệp

2.2 HƯ NG H NGHIÊN CỨU

Trên cơ sở khảo sát, nghiên cứu lý thuyết với các kết quả nghiên cứu (paper đã được

công bố của nước ngoài, chú ý khả năng triển khai sử dụng trong m i trường cũng như điều kiện trong nước để đi đến phương án thiết kế thích hợp và khả thi nhất như dễ sử dụng, bảo trì, thay thế khi cần thiết, giá thành hợp lý

Các bước tiến hành có thể tóm tắt trong sơ đồ sau:

Thu p i u nghiên u ơ t liên quan n i

3 MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

3.1 M H NH H A

Mô hình toán h c của quá trình hàn MIG/MAG có thể được biểu diễn như hình sau:

Hình 3-1 Mô hình toán họ tương đương qu tr nh hàn MIG/MAG

Trong đó m hình nguồn hàn được đặc trưng bởi VOC, LS, và RS là suất điện động, điện cảm và điện trở của nguồn điện Cường độ dòng hồ quang là I RP, và LP là điện trở và điện cảm của dây cáp hàn là điện trở, chiều dài và điện áp rơi trên điện cực nối dài Va0 là một h ng số của mô hình hàn là điện trở và chiều cao của cột hồ quang và là điện trường của hồ quang

Từ công thức tính điện thế hồ quang ta rút ra được chiều dài hồ uang như sau:

a ao a a

ω

La Lt0

(a): Khi đầu hàn kh ng lệch b :Khi đầu hàn lệch khoảng e

Hình 3-2 Mô hình tính chiều dài hồ quang

Khi không xét hình dạng mối hàn vũng hàn Tần số uay đầu hàn là f, bán kính quay

là r và t là thời gian Khi đó khoảng cách từ điểm tiếp cận đến chi tiết hàn được tính bởi: (Hình 3-2)

ft tg

r L

2sin

tg

ft r

sin.(

2sin

0

0

et t

a

t t

L tg

e ft r

L L

tg

e ft r

L L

aIL bwS V

S I

Trong đó:

o a: H ng số điện trở suất ở nhiệt độ cao của d y điện cực nối dài

o b: H ng số phụ thuộc nhiệt độ phòng của điện trở suất d y điện cực nối dài

o Le: Chiều dài d y điện cực nối dài

o w: Tốc độ phóng dây

o I: Cường độ dòng điện hàn

o S: Tiết diện mặt cắt ngang của d y điện cực

Từ đó có thể tính được điện trở của điện cực nối dài như sau:

2

I

bwS S

aL I

w

L B

AI w

ai al p

s

e a b s p s

a

L L

I E E I L

L

R R R R L L

V V dt

ai al P

S p

s

e a

b s

p s

a oc

L L L

I E E I L L

bSw I

L L

s

aL R

R R L L

V V

3.2 MÔ PH NG CƯỜNG ĐỘ DÒNG HÀN

Dựa trên các công thức mô hình hóa xây dựng ở phần 3.1 ta có thể mô phỏng cường

độ dòng điện hàn như sau:

Hình 3-3 Cường độ ng điện hàn trong điều kiện tư ng

Hình 34 Cường độ ng điện hàn khi đầu hàn ệ h một khoảng không đ i rror

-2mm ( ệ h hải)

Hình 3-5 Cường độ ng điện hàn khi đầu hàn đi t ệ h n hải ang ệ h n tr i

Kết uả m phỏng cho thấy sai lệch cường độ dòng điện sai lệch hai đỉnh cực đại của tín hiệu cường độ dòng điện trong một chu kỳ t lệ gần như tuyến tính với độ lệch đầu hàn

3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN

3.3.1 X đ nh độ lệ h ường độ ng à hướng lệch của đầu hàn

Trong một chu kỳ uay đầu hàn ta luôn lấy đ ng 2n mẫu tín hiệu (Ch n là 2n mẫu để

dễ dàng áp dụng phép chuyển đổi Fourier) cường độ dòng điện Sau khi xử lý tín hiệu, làm trơn đồ thị, theo các phân tích và mô phỏng trên ta sẽ lu n tìm được 4 cực trị, 2 cực đại tại các cực điểm trái, phải và 2 cực tiểu tại các cực điểm trước, sau Hơn nữa cực tiểu trước luôn nhỏ hơn cực tiểu sau (vì cực điểm sau đã có kim loại hàn nóng chảy phủ lên từ chu kỳ trước)

Chiều quay của đầu hàn lu n lu n được giữ cố định theo hướng từ bên trái lên phía trước sang bên phải rồi vòng ra phía sau Vì thế thứ tự các cực trị cường độ dòng điện hàn sẽ là bên trái  phía trước  bên phải  phía sau  bên trái …

Dựa vào tính liên tục của đồ thị hàm số sau khi đã được “làm trơn”, ta có thể xác định

4 điểm cực trị này Khi có đủ 2n mẫu dữ liệu trong một chu kỳ, ta xét hai phần tử đầu,

nếu đồ thị đang tăng, ta kiểm tra đồ thị dữ liệu đến khi nó giảm thì ta sẽ xác định cực đại, sau đó ta kiểm tra đồ thị đến khi nó tăng thì sẽ xác định được cực tiểu, lặp lại cho đến khi hết số mẫu; Nếu đồ thị đang giảm ta lại xác định cực tiểu trước

Trong uá trình “dò” đồ thị để tìm các cực trị ta tuân theo nguyên tắc sau:

o Nếu tìm được cực đại đầu tiên ta gán nó là max1 sau đó là min1 rồi đến max2 và cuối cùng là min2 (max1 min1  max2  min2)

o Nếu tìm được cực tiểu đầu tiên ta gán nó là min1 sau đó là max2 rồi đến min2 và cuối cùng mới là max1 (min1  max2  min2  max1)

Khi đó có 4 trường hợp xảy ra:

o Vị trí phần tử đầu đang là ở bên trái, phía sau khi đó ta sẽ “dò” được thứ tự các cực trị là max1 ứng với cực bên trái  min1 ứng với ở giữa phía trước  max2 ứng với cực bên phải  min2 ứng với ở giữa phía sau Lúc này min1<min2 nên ta tính

ΔI max1 – max2 sẽ là cực trái – cực phải và nếu kết quả dương thì đầu hàn lệch trái, kết quả m là đầu hàn lệch phải

o Vị trí phần tử đầu đang là ở bên trái, phía trước khi đó ta sẽ “dò” được thứ tự các cực trị là min1 ứng với ở giữa phía trước  max2 ứng với cực bên phải  min2 ứng với ở giữa phía sau  max1 ứng với cực bên trái Lúc này min1<min2 nên ta tính ΔI max1 – max2 sẽ là cực trái – cực phải và nếu kết quả dương thì đầu hàn lệch trái, kết quả m là đầu hàn lệch phải

o Vị trí phần tử đầu đang là ở bên phải, phía trước khi đó ta sẽ “dò” được thứ tự các cực trị là max1 ứng với cực bên phải  min1 ứng với ở giữa phía sau  max2 ứng với cực bên trái  min2 ứng với ở giữa phía trước Lúc này min1>min2 nên

ta tính ΔI max2 – max1 sẽ là cực trái – cực phải và nếu kết quả dương thì đầu hàn lệch trái, kết quả m là đầu hàn lệch phải

o Vị trí phần tử đầu đang là ở bên phải, phía sau khi đó ta sẽ “dò” được thứ tự các cực trị là min1 ứng với ở giữa phía sau  max2 ứng với cực bên trái  min2 ứng với ở giữa phía trước  max1 ứng với cực bên phải Lúc này min1>min2 nên ta tính ΔI max2 – max1 sẽ là cực trái – cực phải và nếu kết quả dương thì đầu hàn lệch trái, kết quả m là đầu hàn lệch phải

Hướng hàn max1

Hình 3-6 Nguyên tắ đ nh hướng lệ h đầu hàn

Hình 3-6 Minh h a nguyên tắc xác định độ lệch cường độ dòng điện hàn từ đó xác định được hướng lệch đầu hàn mà không cần biết đầu hàn xuất phát từ vị trí nào

Như vậy trong m i trường hợp:

o Nếu min1<min2 tương ứng với đầu hàn xuất phát bên trái thì ΔI max1 – max2

o Nếu min1>min2 tương ứng với đầu hàn xuất phát bên phải thì ΔI max2 – max1

o ΔI lu n là cực trái – cực phải nên nếu kết quả dương thì đầu hàn lệch trái, kết quả

m là đầu hàn lệch phải

Dựa vào những nhận xét trên ta đi tìm giải thuật điều khiển vị trí đầu hàn để giảm độ lệch của đầu hàn xuống nhỏ nhất hay độ chính xác khi hàn tự động là cao nhất

3.3.2 Giải thuật điều khiển

Có rất nhiều giải thuật điều khiển có thể điều chỉnh vị trí của đầu hàn về đ ng t m của rãnh hàn khi đã biết hướng lệch của đầu hàn và độ lệch cường độ dòng điện bên trái và bên phải t m rãnh hàn, nhưng ở đ y chúng tôi lựa ch n giải thuật điều khiển mờ để điều khiển vị trí đầu hàn vì những l do sau đ y:

o Hướng lệch có thể xác định dễ dàng nhưng hệ số t lệ giữa sai lệch cường độ dòng điện giữa hai nửa chu kỳ trái – phải và độ lệch thực tế của đầu hàn tùy thuộc vào từng điều kiện hàn cụ thể (Vật liệu, bề mặt phôi hàn, nguồn điện hàn được sử dụng, máy hàn và d y hàn… Vì vậy ta không biết được chính xác đầu hàn đang lệch bao nhiêu cho cùng một độ lệch cường độ dòng điện hàn ở các điều kiện hàn khác nhau

o Đầu vào của bộ điều khiển mờ có thể n m trong một khoảng được đặc trưng b ng một biến ngôn ngữ) mà không cần biết chính xác giá trị vào là bao nhiêu

3.3.2.1 Đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển mờ

Đầu vào thứ nhất của bộ điều khiển là sai lệch cường độ dòng điện giữa hai đỉnh cực đại tương ứng với hai vị trí cực trái và phải của đầu hàn so với mặt phân giác của rãnh hàn Và chỉ cần một đầu vào này cũng đủ để bộ điều khiển mờ hội tụ, tuy nhiên tốc độ đáp ứng bộ điều khiển là khá chậm (chậm hội tụ)

Để nâng cao chất lượng bộ điều khiển ta thêm vào đầu vào thứ hai chính là tốc độ thay đổi của sai lệch cường độ dòng điện hàn ở trên

Thực chất tín hiệu cấp vào bộ điều khiển mờ là tín hiệu số, kết quả của phương pháp lấy mẫu và biến đổi Analog sang Digital, là những số nguyên 12bit Vì thế để đơn giản cho việc hiện thực bộ điều khiển ta ch n không gian của hai đầu vào là [-1;1] liên hệ với tín hiệu số ở trên b ng hệ số t lệ

Tương tự tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ cũng n m trong khoảng [-1;1] và liên

hệ với hệ số điều rộng xung PWM cấp cho động cơ b ng một hệ số t lệ được xác định trong thực nghiệm

3.3.2.2 Mô hình tổng quan bộ điểu khiển mờ

d/dt Kdei

Kei

Mờ hóa

Luật hợp thành

Luật mờ

Giải mờ Ku Driver điều khiển

vị trí đầu hàn

Cảm biến Hall ADC

Lọc nhiễu

Đầu hàn

Vị trí

Dòng điện hàn

Điện áp tương tự

Tín hiệu số

Hình 3-7 T ng quan mô hình bộ điều khiển dùng Fuzzy

Cảm biến Hall đo cường độ dòng điện hàn trong dây dẫn và xuất ra giá trị điện áp tuơng tự một chiều, điện áp này sẽ được l c thông thấp b ng phần cứng, sau đó vi điều khiển sẽ lấy mẫu và chuyển đổi thành tín hiệu số Tín hiệu này sẽ được làm mượt b ng

bộ l c mềm (FIR hoặc FFT) Tín hiệu ra của bộ l c sẽ được d ng để tính toán độ lệch

cường độ dòng điện ei = max1 – max2 hoặc ei = max2 – max1 (theo 3.3.1), hiệu số này sau khi lấy t lệ nhỏ lại để ei thuộc khoảng [-1; 1] chính là đầu vào thứ nhất của

bộ điều khiển mờ

Hiệu số ei này sau khi lấy vi phân trong khoảng thời gian một chu kỳ điều khiển chính

là đầu vào thứ hai của bộ điều khiển mờ dei

Cả hai đầu vào sẽ được mờ hóa thành những biến ngôn ngữ Từ những biến ngôn ngữ này bộ điều khiển mờ sẽ quyết định đầu ra b ng những luật mờ cơ sở sau đó được giải

mờ để quyết định đầu ra cụ thể dựa trên luật hợp thành max – product Đầu ra distance

của bộ điều khiển sẽ được nhân với một hệ số để trở thành giá trị PWM điều khiển động cơ

3.3.2.3 Các hàm liên thuộc và biến ngôn ngữ

Các hàm liên thuộc cho đầu vào và đầu ra đều được ch n là hàm tam giác Không gian

giá trị vật lý của đầu vào ei được chia thành các miền như hình sau bởi các hàm liên

thuộc tam giác đặc trưng bởi các biến ngôn ngữ: NB: negative big, NM: negative medium, NS: negative small, ZE: zero, PS: positive small, PM: positive medium, PB: positive big

Hình 3-8 Hàm liên thuộc của đầu vào ei

Tương tự không gian vật lý của đầu vào dei được chia thành các miền như Hình 3-9

bởi các hàm liên thuộc tam giác c n đặc trưng cho các biến ngôn ngữ: NB: negative big, NS: negative small, ZE: zero, PS: positive small, PB: positive big

Hình 3-9 Hàm liên thuộc của đầu vào dei

Cuối cùng là đầu ra distance có các biến ngôn ngữ tương tự như đầu vào ei

Hình 3-10 Hàm liên thuộc của đầu ra distance

3.3.2.4 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ

Dựa vào những nguyên tắc như phần 3.3.1 thì ei chỉ m khi đầu hàn lệch về phía phải

so với mặt phẳng t m rãnh hàn và dương khi đầu hàn lệch về phía trái rãnh hàn Hay nói cách khác ei càng gần đạt đến giá trị NB: negative big thì cần phải điều chỉnh cho đầu ra distance càng gần đến PB: positive big để đầu hàn về vị trí chính giữa rãnh (di chuyển về phía trái càng nhanh Tương tự ngược lại cho trường hợp đầu hàn lệch trái (ei positive) thì cần điều chỉnh đầu hàn về phía phải rãnh hàn (negative)

Giả sử dei đang có giá trị âm, tức là sai số ei hiện tại đang nhỏ hơn sai số ei quá khứ Nếu l c đó ei đang dương lệch trái thì có nghĩa đầu hàn đang chuyển động về phải

để ei giảm , l c đó cần giảm giá trị âm của đầu ra distance so với khi kh ng xét đến

dei Còn nếu l c đó ei đang m lệch phải thì có nghĩa đầu hàn đang chuyển động về

phía phải thêm nữa, l c đó cần tăng giá trị dương của đầu ra distance so với khi không xét tới dei Vậy khi dei có giá trị càng âm (negative big) thì ta cần tăng giá trị đầu ra

distance càng dương positive big

Tương tự ngược lại nếu dei có giá trị càng dương positive big thì ta cần giảm giá trị đầu ra distance càng âm (negative big)

3.3.2.5 Các luật mờ cơ sở

Dựa vào các nguyên tắc ở phần trên ta thiết lập các luật suy diễn mờ dựa trên các biến ngôn ngữ Đầu vào ei có 7 biến ngôn ngữ, đầu vào dei có 5 biến ngôn ngữ, vậy ta cần thiết lập 7 x 5 = 35 luật để mô tả tất cả hệ thống Đầu ra distance có 7 biến ngôn ngữ nên sẽ có những luật có cùng hệ quả đầu ra Các luật được thiết lập cụ thể như sau:

o Luật 1: Nếu ei là NB và dei là NB thì distance là PB

o Luật 2: Nếu ei là NB và dei là NS thì distance là PB

o Luật 3: Nếu ei là NB và dei là ZE thì distance là PB

o ……

o Luật 34: Nếu ei là PB và dei là PS thì distance là NB

o Luật 35: Nếu ei là PB và dei là PB thì distance là NB

Bảng 3-1 Các luật suy diễn mờ

o Phép AND thay b ng hàm MIN

o Luật hợp thành được sử dụng là MAX – PRODUCT

o Phương pháp giải mờ CENTER OF GRAVITY

Giải bài toán với một trường hợp cụ thể bất kỳ khi ei = x và dei = y, khi đó đầu ra

distance= z Ta cần tính giá trị đầu ra z này cho mỗi trường hợp (x; y)

o z k [ 1;1]: khoảng giá trị đầu ra

o k 1…N, độ lớn của N quyết đinh độ mịn của đầu ra nhưng phụ thuộc vào khả năng tính toán của vi xử lý

Trong đó: ⋃ là phép toán hợp n phần tử được thay b ng hàm MAX Cuối cùng

ta có đầu ra của bộ điểu khiển mờ như sau:

N

R k k

3.3.3 Mô phỏng quá trình hàn dùng giải thuật điểu khiển mờ

Việc m phỏng uá trình điều chỉnh vị trí đầu hàn sử dụng bộ điều khiển mờ được tiến hành trong m i trường imulink của MATLAB

Hình 3-11 Sơ đồ mô hỏng tr đầu hàn ng ộ điều khiển mờ

Để m phỏng hoạt động của hệ thống điều khiển ta chấp nhận một số điều kiện sau:

o Từ nhận xét độ lệch cường độ dòng điện hàn t lệ tuyến tính với độ lệch đầu hàn trong uá trình m phỏng cường độ dòng hàn ở trên, nên ta d ng hệ số Gain2 để tạo độ lệch cường độ dòng hàn Delta Current từ vị trí đầu hàn hiện tại Position

o Ng ra của bộ điều khiển mờ có giá trị từ -1 đến 1 nên được khuếch đại b ng hệ số Gain1 để làm tín hiệu điều khiển cho động cơ

o Cơ cấu chấp hành được m phỏng b ng hàm truyền Transfer unction

o Ng ra của cơ cấu chấp hành là tốc độ động cơ au khi lấy tích ph n vận tốc và cộng với vị trí ban đầu ta sẽ được vị trí hiện tại của đầu hàn

Hình 3-12 Ngõ vào bộ điều khiển mờ

Hình 3-13 Tín hiệu ngõ ra bộ điều khiển mờ

Hình 3-14 Vận tốc d ch chuyển đầu hàn(s – mm/s)

Hình 3-15 V tr đầu hàn(s – mm/s)

4 ÂY DỰNG M H NH THỰC NGHIỆM

4.1 TỔNG QUAN M H NH THỰC NGHIỆM

M hình thực nghiệm được chế tạo nh m những mục đích sau:

o Kiểm nghiệm tính khả thi của việc áp dụng nguyên l cảm biến hàn hồ uang uay

để tính toán độ lệch của đầu hàn so với đường t m rãnh hàn dựa vào việc đo cường

độ dòng điện hàn b ng cảm biến Hall trong bài toán bám đường hàn trong hàn hồ uang kim loại với khí bảo vệ

o Trên cơ sở tín hiệu thu được, xác định độ lệch đầu hàn trong rãnh hàn chữ V tương ứng với độ lệch cường độ dòng điện thu được

o Kiểm nghiệm tính khả thi và hiệu uả của bộ điều khiển áp dụng để bám theo rãnh hàn

o Thực nghiệm để tìm hệ số tối ưu cho bộ điều khiển

Dựa trên những mục đích đã xác định như trên m hình thực nghiệm được đề xuất bao gồm:

o Cảm biến thu nhận dữ liệu cường độ dòng điện hàn cung cấp cho vi điều khiển xử

l

o Nguồn điện hàn cung cấp dòng điện một chiều điện áp thấp kh ng đổi và cường độ dòng điện cao

o Cơ cấu giữ và uay đầu hàn với tốc độ điều khiển được theo yêu cầu

o Bàn máy hai chiều vu ng góc mang theo đầu hàn và cơ cấu uay đầu hàn d ng để điều khiển vị trí đầu hàn bám theo rãnh hàn

o Mạch điện điều khiển toàn bộ hệ thống thực nghiệm

4.2 CẢM BIẾN ĐO DÒNG VÀ NGUỒN ĐIỆN HÀN

4.2.1 Cảm biến Hall

Cảm biến đo dòng điện hàn dựa trên hiệu ứng Hall Cảm biến Hall được sử dụng là loại cảm biến Open Loop Hall Effect của hãng ABB mang số hiệu ABB ES500C