Nghiên cứu điều khiển robot hàn đường cong 2d

TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhiệm vụ chính của luận văn là khảo sát các phương án điều khiển đã được ứng dụng trong robot hàn di động trong việc hàn đường cong 2D chưa xác định, qua đó kế thừa các

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN VĂN DUY PHÚC

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT

HÀN ĐƯỜNG CONG 2D

Chuyên ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6-2008

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN

… ………

………

………

………

……… ………

……… ………

Cán bộ chấm nhận xét 1:………

… ………

………

………… … ………

………

………

… Cán bộ chấm nhận xét 2: … ………

………

………… … ………

………

………

…

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , ngày … tháng… năm 2008

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO –HẠNH PHÚC

Tp HCM ,ngày tháng năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : NGUYỄN VĂN DUY PHÚC Phái : NAM

Ngày ,tháng ,năm sinh : 22 – 11 – 1983 Nơi sinh : ĐAKLAK Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MSHV : 00406068

I TÊN ĐỀ TÀI :NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN ĐƯỜNG CONG 2D

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nghiên cứu điều khiển robot hàn di động sử dụng cảm biến tiếp xúc và

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến đã tận tình hướng dẫn và định hướng cho học viên trong quá trình thực hiện luận văn

Cảm ơn các đồng sự trong phòng thí nghiệm Bộ môn Thiết kế máy

đã hợp tác và hỗ trợ tôi trong qúa trình làm mô hình và tiến hành thực nghiệm

Đồng cảm ơn quí thầy cô giảng viên và toàn thể các bạn lớp CK2006 đã giúp tôi trong suốt khóa học

Tôi cũng xin bày tỏ lòng tri ân của mình tới ban lãnh đạo cùng toàn thể đồng nghiệp trong công ty Nhựa Duy Tân, nơi tôi đang công tác,

đã dành sự ưu ái và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khoá học này

Sau cùng, con xin cảm ơn ba má và toàn thể gia đình đã luôn luôn chia sẽ, động viên tinh thần và tạo điều kiện để con có được kết quả như ngày hôm nay

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 6 năm 2008

NGUYỄN VĂN DUY PHÚC

TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhiệm vụ chính của luận văn là khảo sát các phương án điều khiển đã được ứng dụng trong robot hàn di động trong việc hàn đường cong 2D chưa xác định, qua đó

kế thừa các ưu điểm và đề xuất một giải pháp điều khiển nhằm mục tiêu cải thiện chất lượng mối hàn, cụ thể là giảm thiểu sai lệch khoảng cách và củng cố độ ổn định vận tốc hàn

 Phần nghiên cứu khảo sát sẽ giới thiệu hiện trạng nghiên cứu về robot hàn di động ở một số nước tiên tiến, đồng thời trình bày sơ lược các giải pháp và các kết quả tương ứng trong các nghiên cứu của các tác giả trong nước về bài toán hàn tự động dùng robot di độngs

 Phần đề xuất giải pháp sẽ giới thiệu một kết cấu cảm biến có hồi tiếp được sai số vận tốc và một bộ điều khiển trong đó phối hợp hai dạng điều khiển là

bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID để tính toán giá trị vận tốc hai bánh

xe nhằm đảm bảo đầu hàn di chuyển bám sát biên dạng đường hàn với vận tốc ổn định Bộ điều khiển sẽ được mô phỏng trên máy tính nhờ phần mềm Matlap để kiểm nghiệm tính khả thi Sau đó sẽ tiến hành hàn thực nghiệm trên mô hình thực để kiểm chứng độ chính xác và tính ổn định của bộ điều khiển đã đề xuất

Abstract

This essay shows some popular solutions for controlling welding mobile robot and then, presents another method to control a two-wheeled welding mobile robot (TWMR) that satisfies the requirement of welding process is keeping a specified constant welding speed and distance to the wall

 The first part of the essay introduces the need of using welding robots, some famous welding robot manufacturers on the world and shows overview some basic reseaches about welding robot have been done by scientistes inside and outside of Vietnam

 The second part presents a new method in controlling welding mobile robot The controller combines Fuzzy controller and PID controller The Fuzzy controller is designed to keep a constant distance and the PID controller is designed to keep a constant welding velocity Not only distance errors but also the errors of speed in welding process is measured and feedbacked to the controller The controller will drive the errors to zero as fast as desire The simulation and experimental result is included to illustrate the performance of the proposed controller

MỤC LỤC

BÌA LUẬN VĂN………1

NHẬN XÉT……….……… 2

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN……… ……3

LỜI CẢM ƠN………4

TÓM TẮT LUẬN VĂN………5

MỤC LỤC……….….…7

DANH MỤC HÌNH ẢNH……….…9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HÀN TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP 11

1.1 Nhu cầu ứng dụng hàn tự động trong công nghiệp 11

1.2 Thực trạng nghiên cứu về robot hàn di động 13

1.2.1 Thực trạng nghiên cứu trên thế giới: 13

1.2.2 Thực trạng nghiên cứu ở Việt Nam: 16

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN CÓ HỒI TIẾP VẬN TỐC 24

2.1 Mục tiêu 24

2.2 Mô hình hoá hệ thống 24

2.2.1 Mô hình xe hàn và phương án bố trí cảm biến 24

2.2.2 Xây dựng mô hình bài toán 26

2.3 Xây dựng luật điều khiển và mô phỏng 28

2.3.1 Xây dựng luật điều khiển 28

2.3.2 Kết quả mô phỏng 32

2.4 Thực nghiệm 35

2.4.1 Giới thiệu thiết bị thực nghiệm 35

2.4.2 Chương trình triển khai luật điều khiển 40

2.4.3 Kết quả thực nghiệm 43

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC……….……… 50

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Robot hàn của hãng Fanuc

Hình 1.2 Robot hàn kiểu giàn treo

Hình 1.3 Robot hàn di động bằng bánh xe

Hình 1.4 Robot hàn ROWER

Hình 1.5 Robot hàn đường thẳng

Hình 1.6 Robot hàn dùng cảm biến camera

Hình 1.7 Robot hàn dùng bộ điều khiển mờ

Hình 1.8 Nguyên lý dò đường hàn bằng cảm biến dòng hàn

Hình 2.1 : Mô hình bố trí cảm biến

Hình 2.2 : Mô hình xác định vận tốc

Hình 2.3 : Trình tự tính toán vận tốc bánh xe

Hình 2.4: Bộ điều khiển mờ

Hình 2.5: Hàm liên thuộc cho các biến ngôn ngữ

Hình 2.6: Phương pháp giải mờ trọng tâm

Hình 2.7: Mô hình bộ điều khiển dùng trong mô phỏng

Hình 2.8: Biên dạng đường hàn và đường hàn mô phỏng

Hình 2.9 : Sai số khoảng cách trong mô phỏng

Hình 2.10: Sai số vận tốc trong mô phỏng

Hình 2.11 Mô hình robot hàn dùng trong thực nghiệm

Hình 1.12 Sơ đồ tổng thể của robot di động

Hình 2.13 : Mô hình cảm biến thực nghiệm

Hình 3.14 : Cảm biến dùng trong thực nghiệm

Hình 2.15: Mạch điều khiển

Hình 2.16: Mạch công suất cho động cơ

Hình 2.17: Lưu đồ giải thuật cho Master

Hình 2.18: Lưu đồ giải thuật cho Slave

Hình 2.19: Chi tiết hàn thực nghiệm

Hình 2.20: Đồ thị sai số khoảng cách thực nghiệm

Hình 2.21: Đồ thị sai số vận tốc thực nghiệm

GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU

R Điểm trên đường tham chiếu

O Tâm con lăn cảm biến đo vận tốc

r

 Góc nghiêng phương đường hàn tại điểm tham chiếu [rad]

w

ω Vận tốc gốc tại tâm robot [rad/s]

ω rw , ω lw Vận tốc góc của bánh phải và bánh trái [rad/s]

b Khoảng cách từ tâm đến bánh xe chủ động [m]

h Khoảng cách từ phương đuốc hàn đến trục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HÀN TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP 1.1 Nhu cầu ứng dụng hàn tự động trong công nghiệp

Với nền sản xuất công nghiệp phát triển không ngừng, nhu cầu hàn với qui mô lớn cả về số lượng cũng như kích thước các chi tiết hàn là một thực tế, vượt ngoài khả năng đáp ứng của sức lao động chân tay con người Vấn đề này từ lâu đã được thế giới dự đoán và tìm kiếm giải pháp để đáp ứng nhu cầu nói trên và việc phát triển các công ngệ hàn dùng robot là một hướng chủ đạo mà cho tới ngày nay, vấn

đề này vẫn không ngừng được đầu tư nghiên cứu phát triển Ngoài ra, hàn tự động mang lại năng suất cao, không tốn chi phí đào tạo tay nghề công nhân và ổn định về chất lượng khiến nó trở thành giải pháp tất yếu trong các dây chuyền sản xuất hàng loạt và trong hàn các đường hàn dài có biên dạng đơn giản Ngày nay, robot hàn chiếm đến 25% trong tổng số các loại robot và phần lớn được ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất ô tô và đồ điện tử

Hai hình thức tự động hoá quá trình hàn cơ bản là:

 Dùng tay máy (có đế cố định): thường được ứng dụng trong hàn các chi tiết

có kích thước vừa và nhỏ như ô tô, bàn ghế… Robot hàn sẽ chạy theo các chương trình đã lập sẵn Các tay máy hàn có thể có tới 6 bậc tự do và có thể thực hiện linh hoạt các biên dạng hàn phức tạp với độ chính xác cao và thời gian nhanh chóng Một số hãng chế tạo tay máy phổ biến là: Kuka, Yaskawa,OTC Daihen, Panasonic, Fanus, Motoman (Nhật Bản), ABB (Thụy Điển)…Tuy nhiên, sự giới hạn không gian hoạt động là nguyên nhân khiến các tay máy hàn chưa thể giải quyết triệt để mọi vấn đề trong lĩnh vực hàn tự động

Hình 1.1 Robot hàn của hãng Fanuc

 Dùng robot hàn di động (mobile robot): ứng dụng trong hàn các đối tượng

có kích thước lớn như vỏ tàu, xà gồ trong xây dựng… Robot sẽ di chuyển và bám theo biên dạng đường cần hàn Robot hàn di động phân loại theo khả năng thực hiện biên dạng đường hàn gồm hai dạng:

 Robot hàn chỉ thực hiện những đường hàn có biên dạng xác định

Robot sẽ di chuyển dọc theo ray dẫn hướng để thực hiện đường hàn

có biên dạng tương ứng với biên dạng ray dẫn Chi tiết hàn phải được

gá đặt đúng vị trí mà đầu hàn đi qua Dạng robot này thường được ứng dụng để hàn các đường thẳng nhưng có chiều dài lớn Có thể bố trí nhiều đầu hàn cùng di chuyển song song nhau để nâng cao năng suất hàn

Hình 1.2 Robot hàn kiểu giàn treo

 Dạng thứ hai của robot hàn di động là các xe hàn di chuyển bằng

bánh xe.Các robot dạng này có thể thực hiện các đường hàn có biên

dạng cong phức tạp và không được khai báo trước Robot sẽ được trang bị hệ thống cảm biến để nhận dạng đường hàn và bám theo đó

1.2 Thực trạng nghiên cứu về robot hàn di động

1.2.1 Thực trạng nghiên cứu trên thế giới:

Trước nhu cầu thực tiễn về giải pháp hàn các đường có chiều dài lớn vào sản xuất số lượng lớn, nhiều công trình nghiên cứu về robot hàn di động đã được tiến hành và triển khai ứng dụng trong công nghiệp như:

 Công trình “Ship building with ROWER” Robot hàn đường thẳng của giáo sư Gonzalez De Santos, thạc sĩ Armada và Jimenez, được công bố trên tạp chí IEEE Robotics & Automation vào tháng 3 năm 2000 (hình 1.4) Robot này có dạng như giàn treo dùng để hàn nhiều đường thẳng song song cùng một lúc

Hình 1.4 Robot hàn ROWER

 Công trình nghiên cứu điều khiển ổn định biên dạng và tốc độ cho Robot hàn di động do Y B Jeon, B O Kam, S S Park, và S B Kim thực hiện, đã được công bố ở hội nghị quốc tế về thiết bị điện công nghiệp lần thứ 6, tổ chức vào tháng sáu năm 2001 tại Hàn Quốc Đề tài đưa ra một mô hình robot di dộng dùng để hàn đường thẳng Cảm biến

dò đường hàn di chuyển cùng với bàn trượt mang đầu mỏ hàn Bộ điều khiển nhận thông tin là các sai số vị trí giữa đầu hàn và điểm cần hàn từ

bộ cảm biến tiếp xúc để điều khiển chuyển động của robot bám theo biên dạng cần hàn

Hình 1.5 Robot hàn đường thẳng

 Công trình của Taewon KIM, Takeshi SUTO, Junya KOBAYASHI, Jongcheol KIM và Yasuo SUGA (Nhật Bản): “Automatic Welding System Using Speed Controllable Autonomous Mobile Robot”, công bố

Hình 1.6 Robot hàn dùng cảm biến camera

 Hảng Lincoln đã nghiên cứu và phát triển một dòng máy hàn tự động đơn giản mà hiệu quả cho các đường hàn dài và biên dạng đơn giản Robot là một xe hàn gồm 3 bánh, trong đó, 2 bánh sau truyền động, còn bánh trước được bố trí nghiêng một góc cố định Nhờ cách bố trí này,

xe luôn có xu hướng lấn về phía đường hàn và di chuyển bám theo đường hàn mà không cần dùng thêm cảm biến dò Tuy nhiên, chỉ có thể

áp dụng loại này cho các đường hàn đơn giản, không có đoạn có bán kính cong quá nhỏ thì robot mới có thể bám sát theo đường cần hàn

Hình 1.7 Robot hàn của Lincoln

Tất cả các loại robot hàn kể trên đã được triển khai ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp ở nhiều nơi trên thế giới Tuy nhiên, một điều quan trọng là các loại robot hàn do nước ngoài chế tạo có giá thành rất cao, khiến vấn đề robot hàn di động vẫn là đề tài được sự quan tâm của các nhà khoa học và các nhà sản xuất có liên quan tại Việt Nam

1.2.2 Thực trạng nghiên cứu ở Việt Nam:

Là một quốc gia với chiều dài bờ biển lên đến 3260km, ngành đóng tàu là một ngành đã và đang được ưu tiên phát triển mạnh nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất các loại tàu quân sự, tàu vận tải và tàu đánh cá ngày càng lớn Đó cũng chính là hướng ứng dụng chính yếu và rất thiết thực để phát triển công nghệ hàn tự động Đã có nhiều công trình nghiên cứu và được triển khai ứng dụng trong lĩnh vực này Tuy nhiên, với trình độ sản xuất như ở nước ta như hiện nay thì việc tiếp tục nghiên cứu để có thể ứng dụng rộng rãi các công nghệ hàn

tự động nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là điều rất cần thiết Sau đây sẽ giới thiệu một số công trình nghiên cứu tiêu biểu ứng với các giải thuật điều khiển robot hàn và công ngệ dò bám đường hàn khác nhau

 Công trình nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển thích nghi cho robot hàn

di động với các thông số chưa biết trước của các tác giả Bùi Trọng Hiếu, Chung Tấn Lâm và Nguyễn Tấn Tiến, đã được công bố trên Tạp chí KH&CN các trường Kỹ thuật, Việt nam, Số 60/2007, trang 48-53, 6/2007 Đề tài đã trình bày giải pháp dùng bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái cho robot hàn di động trên bánh xe Cảm biến dùng trong mô hình là cảm biến tiếp xúc, có thể hồi tiếp hai sai số là sai số khoảng cách và góc lệch của phương xe so với phương tiếp tuyến cuả đường hàn tại điểm hàn Dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, bộ điều khiển này, tương ứng với 2 kết cấu bố trí và điều khiển đầu mang đuốc hàn, cho các kết quả tương ứng như sau:

Hình 2.8 Mô hình xác định các sai số

 Trường hợp đầu đuốc hàn được giữ cố định Robot hàn có thể bám biên và hàn với tốc độ tương đối ổn định nhưng tốc độ đáp ứng còn chậm Với sai số ban đầu cho trước, robot phải mất nhiều thời gian (hơn 10 giây) mới có thể đưa sai số khoảng cách hội tụ về 0

Hình 2.9 Các sai số bám theo e i trong trường hợp

chiều dài đuốc hàn cố định

 Trường hợp chiều dài bàn trượt điều khiển được Robot hàn đã cải thiện tốc độ đáp ứng đáng kể Nhờ sự linh động của chiều dài bàn trượt mang đuốc hàn, thời gian để các sai số hội tụ về 0 đã được rút ngắn xuống còn dưới 2 giây Thực nghiệm đã chứng tỏ khả năng bám theo biên dạng đường hàn cũng như tốc độ đầu hàn là khá chính xác

và ổn định

Hình 2.10 Các sai số bám theo e i trong trường hợp

chiều dài đuốc hàn điều khiển được

Hình 2.11 Các sai số vận tốc v i trong trường hợp

chiều dài đuốc hàn điều khiển được

 Công trình của Phạm Văn Thắng cùng các đồng sự đã áp dụng thuật toán mờ hoá để điều khiển xe hàn bốn bánh có chiều dài đuốc hàn điều

Hình 1.12 Giải pháp hàn dùng bộ điều khiển mờ

Qua thực nghiệm, với một cảm biến tiếp xúc chỉ hồi tiếp về sai số vị trí, robot có thể bám biên dạng đường hàn khá chính xác (dưới 0,3mm)

Hình 1.13 Robot hàn dùng bộ điều khiển mờ

Hình 1.14 Sai số vị trí trong hàn thực nghiệm

Tuy nhiên, độ ổn định vận tốc của đầu hàn ở mức tương đối ổn định trong trường hợp hàn đường thẳng Điều này dể hiểu vì với cảm biến chỉ hồi tiếp một sai số vị trí thì không đủ cơ sở để đảm bảo vận tốc hàn ổn định

 Nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến đang nghiên cứu công nghệ dò đường hàn cùng cảm biến sử dụng các tham số hồ quang Trong quá trình hàn hồ quang, dòng hàn thay đổi nhỏ, tùy thuộc vào khoảng cách giữa đầu súng hàn và vật hàn Hiện tượng này được áp dụng để cảm nhận đường hàn một cách khá chính xác Nguyên tắc cảm biến đường hàn được trình bày như hình sau

Hình 1.15 Nguyên lý dò đường hàn bằng cảm biến dòng hàn

 Trường hợp 1: Cường độ dòng hàn tại vị trí 2 biên tương đương nhau chứng tỏ súng hàn đi theo đường hàn một cách chính xác

 Trường hợp 2: Do xê dịch trên đường hàn, súng hàn có xu hướng dịch sang phải Vì thế biên độ dòng hàn bên biên phải lớn hơn so với cường độ dòng hàn bên biên trái Bộ điều khiển cảm nhận được sự thay đổi này và dịch súng hàn về phía trái để cân bằng dòng hàn tại các biên dao động

 Trường hợp 3: Súng hàn có xu hướng dịch về bên trái Hiện tượng này tạo ra một hình dạng dòng hàn ngược lại so với trường hợp 2 Máy tính điều khiển súng hàn dịch sang phải và đi theo đường hàn Việc cảm nhận đường hàn được thực hiện chỉ bằng cách cảm nhận dòng hàn hồ quang, mà không cần một cảm biến bên ngoài nào khác

 Công trình của Chung Tấn Lâm, Bùi Trọng Hiếu và Nguyễn Tấn Tiến với kỹ thuật dùng cảm biến camera để xử lý đường hàn Camera sẽ chụp hình từng đoạn đường hàn tham chiếu (là một đường song song với đường cần hàn được vẽ trước) và nội suy ra các sai số vị trí giữa điểm đầu hàn và điểm cần hàn kế tiếp Từ các sai số này, thông qua tiêu chuẩn

ổn định Lyapunov, ta sẽ chọn được giá trị vận tốc góc và vận tốc dài của tâm robot và từ đó suy ra vận tốc góc của từng bánh xe Tuy nhiên, vấn

đề giá thành thiết bị và việc giữ cảm biến camera tránh vây bẩn trong quá trình hàn là hạn chế của giải pháp này

Trên tinh thần kế thừa có chọn lọc các ưu điểm của các giải pháp đã được nghiên cứu, luận văn này đề xuất một giải pháp điều khiển khác cho robot hàn

di động nhằm hướng đến mục tiêu đảm bảo khả năng bám sát đường hàn với một tốc độ đầu hàn ổn định trong một robot có kết cấu hàn đơn giản và giá thành thiết bị hợp lý

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN CÓ HỒI TIẾP VẬN TỐC 2.1 Mục tiêu

Với mục tiêu đơn giản hóa kết cấu xe hàn so với phương án điều khiển bàn trượt mang đuốc hàn đồng thời đảm bảo khả năng bám sát biên dạng đường hàn cũng như

ổn định vận tốc đầu hàn, ta triển khai một mô hình điều khiển robot trong đó phối hợp thuật toán mờ (fuzzy) và phương pháp điều khiển kinh điển (PID) Vận tốc hàn

sẽ được hồi tiếp để điều khiển nhằm đảm bảo vận tốc hàn ổn định

2.2 Mô hình hoá hệ thống

2.2.1 Mô hình xe hàn và phương án bố trí cảm biến

Robot hàn là một con xe 4 bánh Hai bánh chủ động đặt nằm ngang giữa thân xe, hai bánh bị động đặt trước và sau xe Với kết cấu này giúp robot có thể di chuyển và thay đổi hướng linh hoạt

Về bộ cảm biến, để cải thiện độ ổn định vận tốc đầu hàn, ta thiết kế bộ

cảm biến hồi về bộ điều khển hai sai số sau:

 Sai lệch vị trí giữa điểm đầu hàn và điểm hàn tham chiếu

 Giá trị vận tốc tức thời tại của điểm đầu dò tiếp xúc với biên dạng

đường hàn

Vì không nhận được tín hiệu sai lệch góc của phương xe so với phương hàn tham chiếu nên ta phải đặt đầu dò cảm biến và đầu hàn nằm lệch trục của hai

bánh chủ động một đoạn h thì mới tiến hành tính toán được Có thể hiểu được

điều này thông qua minh hoạ dưới đây

Ở hình 2.1a, nếu đặt đầu dò tại trục bánh xe, trong cả hai trường hợp phương xe nằm lệch một góc  so với phương đường hàn tại điểm khảo sát thì cần trượt đều giãn ra 1 đoạn như nhau OB1 = OB2>d0 mà không phân biệt được xe đang có xu hướng đi ra xa hay đi lại gần biên dạng đường hàn

Hình 2.1b là mô hình robot có cảm biến đặt lệch trục của hai bánh dẫn động Khi phương xe lệch với phương đường hàn tại điểm khảo sát và có xu hướng đi ra xa biên dạng đường hàn thì cần trượt giãn ra một đoạn OB1 > d0

là chiều dài cần trượt ban đầu Còn nếu xe đang có xu hướng đi vào đường biên thì chiều dài cần trượt thu nhỏ hơn chiều dài ban đầu OB2 < d0

2.2.2 Xây dựng mô hình bài toán

r b r

1

v

v v

Giá trị vận tốc điểm hàn chiếu lên phương tiếp tuyến với đường hàn tại

điểm hàn W là:

) cos(

.

cos

) cos(

cos

.

2 2

2 1

v v

Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật mối hàn, bộ điều khiển được thiết kế phải giải

quyết được hai bài toán

 Sai số khoảng cách giữa điểm đầu đuốc hàn và điểm hàn tham chiếu hội

tụ về 0

 Giá trị vận tốc điểm đầu hàn không đổi Vtl cons t

w  tan

Để giữ cho sai số khoảng cách không đổi, ta sẽ điều chỉnh giá trị vận tốc

góc  thông qua một bộ điều khiển mờ với biến đầu vào là sai số khoảng

cách

Từ phương trình (2.4) ta nhận thấy, khi đã có giá trị , để giữ vận tốc hàn

không đổi V tl cons t, ta có thể suy ra giá trị v theo công thức sau:

arcsin

l h

h







Tuy nhiên, vì giá trị góc lệch giữa phương xe và tiếp tuyến với đường hàn tại điểm hàn  không xác định được nên ta sẽ dùng một bộ điều khiển PID để xác định giá trị của với biến đầu vào là sai số vận tốc hàn và hàm mục tiêu

là vận tốc hàn luôn hội tụ về giá trị tham chiếu không đổi

v

dt du

v



Hình 2.3 : Trình tự tính toán vận tốc bánh xe

2.3 Xây dựng luật điều khiển và mô phỏng

2.3.1 Xây dựng luật điều khiển

2.3.1.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ có hai ngõ vào là sai số khoảng cách e và đạo hàm

de, một ngõ ra là đạo hàm vận tốc góc của xe hàn ω

Định nghĩa các tập mờ đầu vào và đầu ra cho bộ điều khiển: ta chọn hàm liên thuộc cho các biến đầu vào có độ thị dạng hình tam giác như hình sau



Hình 2.5: Hàm liên thuộc cho các biến ngôn ngữ

Do sai số e yêu cầu không vượt quá 1mm nên để đưa e và de về tập chuẩn [-1,1] của hàm liên thuộc thì ta chọn K1, K2 bằng 1 Hệ số khuếch đại Ku ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ đáp ứng của hệ thống Luật hợp thành của bộ mờ được mô tả như sau:

Bảng 2.1: Luật hợp thành giá trị ω

Lựa chọn phương pháp suy diễn và phương pháp giải mờ

 Phương pháp suy diễn max_min, giải mờ điểm trọng tâm

Phương pháp suy diễn max_min, giải mờ điểm trọng tâm là phương pháp thường thấy nhất trong điều khiển

Giả sử ta có một biến đầu ra y và hàm liên thuộc của nó như hình sau:

Hình 2.6: Phương pháp giải mờ trọng tâm

Công thức của phương pháp giải mờ điểm trọng tâm [2]:







y C y C dy y

ydy y y

k

k

)(

 Phương pháp trọng tâm của tổng

Phương pháp trọng tâm của tổng với phương pháp suy diễn là sum_min

và giải mờ điểm trọng tâm, thực thi nhanh hơn phương pháp trọng tâm, phương pháp này lấy tổng đại số của các ngõ ra riêng lẽ của các tập mờ thay vì lấy hợp của chúng Khuyết điểm của phương pháp này là vùng giao tăng lên hai lần Giá trị sau khi giải mờ được cho bởi phương trình [2]:

n

k C

dy y

dy y y

y

k k

Công thức 4.2 có thể viết lại như sau:

k k n

y

dy y y

y

k k

1

1

1

~ 1

Và áp dụng giải mờ độ cao khi Như vậy bằng cách áp dụng phương pháp suy diễn sum_min và giải mờ kết hợp phương pháp độ cao và phương pháp điểm trọng tâm ta đã giảm bớt được khối lượng tính toán

]5.0,5.0[



2.3.1.2 Thiết kế bộ điều khiển PID

Để giảm thiểu sai số vận tốc e v , ta điều chỉnh v w thông qua điều chỉnh giá

trị v bằng luật điều khiển PID Thông số đầu vào của bộ điều khiển là e v ,

thông số đầu ra là giá trị V 0

t

i e i e i

(

(2.9)

 (2.10)

Các hệ số k p , k i , k d xác định bằng thực nghiệm

Từ các giá trị vận tốc góc  và vận tốc dài v tính được từ hai bộ điều

khiển, dựa vào công thức 2.1 sẽ tính được giá trị vận tốc góc của hai bánh

xe trong chu kỳ kế tiếp

2.3.2 Kết quả mô phỏng

Tiến hành mô phỏng bộ điều khiển mờ trên matlab Đường cong biên dạng cần hàn được mô phỏng trên matlab bằng phương trình toán học Trên đường cong đó, ta chọn ra những điểm sao cho khoảng cách giữa chúng là đều nhau

và có độ lớn tương ứng với quảng đường mà đầu hàn phải đi qua trong một khoảng thời gian lấy mẫu để đảm bảo vận tốc đầu hàn đúng bằng giá trị tham chiếu Đó là những điểm hàn tham chiếu Sai số vị trí được tính toán từ vị trí điểm đầu hàn (được cập nhật liên tục sau mổi chu kỳ tính toán) và điểm hàn tham chiếu Trên thực tế, sai số vị trí được xác định bằng cảm biến

Từ sai số khoảng cách, qua bộ điều khiển mờ (tích hợp sẵn trong matlap) sẽ

Dưới đây là bảng khai báo ban đầu, các thông số kích thước mô hình dùng trong mô phỏng và các kết quả mô phỏng được

Bảng2.2: Các thông số dùng trong mô phỏng

Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Hình 2.8: Biên dạng đường hàn và đường hàn mô phỏng

Hình 2.9: Sai số khoảng cách trong mô phỏng

Hình 2.10: Sai số vận tốc trong mô phỏng

Nhận xét:

 Đáp ứng của sai số khoảng cách và vận tốc đạt giá trị ổn định sau thời gian 2.2s, không có vọt lố

 Khả năng bám biên của đầu hàn là rất tốt

 Vận tốc hàn dao động quanh giá trị tham chiếu v r = 8 mm/s và ổn định trong

suốt thời gian mô phỏng

Mô phỏng cho thấy giải pháp điều khiển đã trình bày về lý thuyết là phù hợp

2.4 Thực nghiệm

2.4.1 Giới thiệu thiết bị thực nghiệm

 Robot hàn là một con xe 4 bánh Hai bánh chủ động đặt nằm ngang giữa thân

xe và được truyền động bằng 2 động cơ DC sevor thông qua một bộ truyền xích Hai bánh bị động đặt trước và sau xe Hai bánh này có dạng bi cầu để giúp xe có thể chuyển hướng dễ dàng

Hình 2.11 Mô hình robot hàn dùng trong thực nghiệm

Hình 2.12 Sơ đồ tổng thể của robot di động

 Mô hình cảm biến dùng trong thực nghiệm:

Sai lệch vị trí giữa điểm đầu hàn và điểm hàn tham chiếu được xác định nhờ một biến trở thông qua bộ truyền ma sát Bộ truyền này có tác dụng biến chuyển động tịnh tiến của cần trượt thành chuyển động xoay của trục biến trở, từ đó tính được độ lệch của cần trượt so với vị trí chuẩn

ban đầu

Giả sử biến trở có mức thay đổi từ 0 đến R Ω trong một vòng xoay, tương ứng với sự thay đổi điện áp từ 0 đến E vol , bánh ma sát có bán kính rs Khi ta nhận được một sự thay đổi điện áp d e ở đầu vào, ta có

thể tính được độ di chuyển của cần trượt d l theo công thức sau:

e

s

l d E

Biến trở xoay tuyến tín và đưa tín hiệu điện áp về chíp xử lý với độ phân giải 1024 giá trị ứng với 1 vòng xoay

Biến trở Con lăn Encode

Bộ truyền chuyển động tịnh tiến thành

Hình 2.13 : Mô hình cảm biến thực nghiệm

Để xác định vận tốc đầu dò, thường dùng tắt cô mét nối trực tiếp (hay gián tiếp) với trục quay con lăn đầu dò Tuy nhiên trong mô hình thực nghiệm, ta dùng một encoder có độ phân giải cao nối với trục xoay đầu

dò thông qua bộ truyền đai để đo được góc quay của con lăn Từ đó ta

có thể nội suy vận tốc đầu dò Giả sử con lăn có bán kính r s , encoder có

độ phân giải N xung/vòng Nếu trong thời gian lấy mẫu ta đọc được

n xung từ encoder thì vận tốc dài trung bình v trong khoảng thời gian đó

sẽ được tính theo công thức:

t



t N

r n





2 

(2.12)

Hình 2.14 : Cảm biến dùng trong thực nghiệm

 Encoder giám sát vị trí con lăn của đầu dò có độ phân giải 3600

xung/vòng Độ phân giải của encoder là một thông số quan trọng quyết định đến khả năng ổn định tốc độ đầu hàn Cụ thể là, nếu độ phân giải

của encoder là N xung/vòng, thời gian lấy mẩu khá nhỏ (t=10ms) và

vận tốc tham chiếu v r nhỏ (6mm/s), đường kính con lăn d = 20mm thì số

xung nhận được trong khoảng thời gian lấy mẩu trung bình n là:

d

t N v

Tóm lại, độ phân giải càng nhuyễn thì vận tốc phản ánh càng ít bị ảnh

hưởng bởi sai số truyền nhận tín hiệu

 Mạch điều khiển trung tâm: Chíp xử lý chính là bộ vi xử lý PIC

18F452 dùng với bộ tạo nhịp xử lý (thạch anh) tốc độ 20M hez nên cho được tốc độ tính toán đủ nhanh để chọn được thời gian lấy mẫu cho mỗi

Hình 2.15: Mạch điều khiển trung tâm

 Mạch công suất sử dụng IC điều khiển động cơ chuyên dụng

LMD18200 Chip LMD18200 là một thiết kế cầu H dùng để điều khiển động cơ, có các chân điều khiển như PWM, Direction và Brake, chịu được áp và dòng tối đa là 55V, 3A Ngoài ra chip còn được thiết kế chống quá dòng, quá nhiệt