Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn tự hành chuyên dùng hàn các đường cong phẳng trong mặt phẳng ngang

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của ngành tự động, kỹ thuật tính toán, đo lường và điện tử, việc chế tạo và ứng dụng robot đã có những bước phát triển mạnh mẽ đóng vai trò quan trọng

Cán bộ hướng dẫn khoa học: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

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 2006

Qua gần 10 tháng thực hiện với sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Hồi Quốc trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn này và đến nay đề tài đã được hồn thành

Học viên xin bày tỏ lịng biết ơn đối với thầy cơ trong trường Đại Học Bách Khoa, Phịng 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 Lê Hồi Quốc đã chỉ bảo và truyền đạt nhưng kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua

Xin cảm ơn 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 học viên 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

TP.HCM, Ngày Tháng Năm 2006

Học vên

Huỳnh Lê Minh

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của ngành tự động, kỹ thuật tính toán, đo lường và

điện tử, việc chế tạo và ứng dụng robot đã có những bước phát triển mạnh mẽ

đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng lực sản xuất, năng suất lao động

và chất lượng sản phẩm

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 Ngòai ra chất lượng mối hàn còn phụ thuộc vào trình độ tay nghề và sức

khỏa của công nhân rất nhiều Vì vậy đã có nhiều công trình nghiên cứu về các

vấn đề ứng dụng robot hàn để thay thế cho người công nhân và đã đạt được

nhiều thành tựu

Những lợi ích lớn nhất của việc sử dụng robot vào công việc hàn là robot có

độ chính xác và năng suất cao nâng cao độ tin cậy của mối hàn Một khi được lập

trình hợp lý, robot sẽ tạo ra những mối hàn có chất lượng như nhau giảm nguy cơ

mắc lỗi trong thao tác Robot không những có năng suất cao mà còn có thể hoạt

động liên tục suốt ngày đêm với hiệu quả và chất lượng đồng đều

Luận văn này được thực hiện nhằm thiết kế một dạng robot hàn để hàn sàn

tàu trong ngành công nghiệp đóng tàu để thay thế công việc nặng nhọc của người

công nhân hàn ngày nay

Trong luận văn còn có nhiều sai sót, kính mong được sự góp ý của Quí Thầy

Cô và các bạn để cho đề tài được hoàn thiện hơn

vậy luận văn mang nặng việc ứng dụng thực tế của robot hàn và dạng robot này chỉ chuyên dụng hàn sàn tàu trong công nghiệp đóng tàu Luận văn gồm 5 chương:

Chương 1: Tổng Quan

Giới thiệu tổng quát về công nghiệp robot hàn phục vụ đóng tàu trong

và ngòai nước Sơ lược về robot hàn, công nghệ đóng tàu và công nghệ hàn hàn trong ngày đóng tàu Từ đó xác định nhiệm vụ của luận văn

Chương 2: Nghiên cứu thiết kế giái pháp về cấu trúc, bố trí không gian cho robot hàn tự hành trong mặt phẳng

- Tìm hiểu cấu trúc thiết kế của một số robot hiện có trên thế giới

- Đưa ra các nguyên lý hoạt động của robot và lựa chọn phương án thích hợp

- Thiết kế và bố trí không gian cho robot

Chương 3: Nghiên cứu giải pháp nhận biết và điều khiển đuốc hàn bám

theo quĩ đạo cần hàn

- Cấu tạo đường hàn

- Các phương pháp hàn

- Các phương pháp xác định đường hàn

- Nguyên lý điều khiển đường hàn

- Sơ đồ điều khiển

Chương 4: Nghiên cứu giải pháp tạo quĩ đạo công nghệ

- Mục tiêu tạo quỹ đạo công nghệ

- Các dạng quỹ đạo công nghệ

- Thiết kế cấu trúc bộ phận tạo quỹ đạo công nghệ

Chương 5: Thực nghiệm phân tích mô hình

- Kết quả thực nghiệm

- Đánh giá sai số

- Xử lý hiệu chỉnh

Chương 6: Kết Luận

- Những công việc đã thửc hiện được

- Những hạn chế và hướng phát triển của đề tài

This thesis focuses on the application of the welding robot in welding the deck-top floor

of the ship in ship building industry

There are 6 chapters in this thesis:

- The mission of the thesis

Chapter 2: Researching and designing the solution of the structure as well as the space setting of the automatic welding robot on the flat

- Researching the structure design of some current robots in the world

- Providing the working principles of the robot and choosing the appropriate case

- Designing and setting the space for the robot

Chapter 3: Researching the solution to idetify and control the welding torch following the welding orbit

- The structure of the welding line

- The welding method

- The method to determine the welding line

- The principles to control the welding line

- The diagram of the control system

Chapter 5: Experiment to analyse the model

- The result of the experiment

- Evaluating the error

- Correction

Chapter 6: Conclusion

- The finished performance

- The unfinished performance and the developing tendency of thesis

1.1 NHU CẦU CỦA CÁC NGÀNH SẢN XUẤT CƠ KHÍ VÀ CỦA CÔNG

NGHIỆP ĐÓNG TÀU 1

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 2

1.2.1 Nước ngoài 2

1.2.2 Trong nước 6

1.3 ROBOT HÀN 7

1.3.1 Dạng tay máy công nghiệp 7

1.3.2 Dạng robot tự hành có đường dẫn hướng hay hoàn toàn tự động 10

1.4 PHƯƠNG PHÁP HÀN 15

1.4.1 Hàn hồ quang : (Arc welding) 15

1.4.2 Hàn laser 19

1.4.3 Hàn bằng siêu âm 20

1.4.4 Hàn bằng tia điện từ 20

1.5 CÁC ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU TRONG QUÁ TRÌNH HÀN VỚI ROBOT 1.6 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TÀU THUỶ 25

1.6.1 Cấu tạo thân tàu 25

1.6.2 Công nghệ đóng tàu 28

1.7 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 31

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ GIẢI PHÁP VỀ CẤU TRÚC, BỐ TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT HÀN TỰ HÀNH TRONG MẶT PHẲNG NGANG 32

2.1 CÁC GIẢI PHÁP VỀ CẤU TRÚC HIỆN CÓ TRÊN THẾ GIỚI VỀ ROBOT HÀN TỰ HÀNH 32

2.1.1 Robot hàn tự hành của Hãng BugO 32

2.2.2 Robot hàn tự hành của hảng khác 34

2.1.2 Mục tiêu đề ra cho robot hàn 36

2.2 BỐ TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT 37

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của robot tự hành hàn sàn tàu 37

2.2.2 Phân tích lựa chọn phương án cho robot hàn 37

2.2.3 Thiết kế các bộ phận của robot 44

3.2.1 Cấu tạo đường hàn 51

3.2.2 Phương pháp hàn 54

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT ĐƯỜNG HÀN 55

3.3.1 Phân tích cấu tạo đường hàn 55

3.3.2 Các phương án nhận biết đường hàn 56

3.3.3 Các dạng cảm biến có thể dùng để nhận biết đường hàn 58

3.3.4 So sánh lựa chọn phương án phù hợp 61

3.4 NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN ĐUỐC HÀN 61

3.4.1 Nguyên tắc xác định đường hàn và điều khiển đuốc hàn 61

3.4.2 Giải thuật điều khiển và sơ đồ mạch điện 65

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TẠO QUỸ ĐẠO CÔNG NGHỆ HÀN 72

4.1 MỤC TIÊU 72

4.2 GIẢI PHÁP TẠO QUĨ ĐẠO CÔNG NGHỆ HÀN 72

4.2.1 Các dạng quĩ đạo công nghệ hàn 72

4.2.2 Các phương pháp tạo quĩ đạo zigzag 73

4.2.3 Chế tạo thiết bị 76

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH MÔ HÌNH 80

5.1 LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU CHO ROBOT: 80

5.2 THỬ NGHIỆM: 80

5.2.1 Thu thập số liệu 80

5.2.2 Thử nghiệm tại xưởng: 81

5.2.3 Thử nghiệm tại nhà máy đóng tàu: 85

5.3 NHẬN XÉT KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM: 89

6.2.1 Những vấn đề còn hạn chế: 90 6.2.2 Hướng phát triển của đề tài: 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN CÔNG NGHIỆP HÀN

1.1 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 2005 ngân sách thành phố dành khoảng 50 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

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU:

1.2.1 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,…

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 1.1: Các hãng sản xuất robot hàng đầu Thế giới

Hình 1.2 : Robot hàn TIG của hãng Motoman

Hình 1.3: Robot hàn Bấm của hãng Kawasaki

Hình 1.4: 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 1.5 : Robot hàn Rower + Robot giàn treo dùng để hàn nhiều đường thẳng song song cùng một lúc

Hình 1.6: Robot giàn treo

+ Robot hàn tự động dạng robot tự hành dùng để hàn đường thẳng:

Hình 1.7: Robot tự hành hàn đường thẳng

+ “Seam tracking and welding speed control of mobile for lattice type of welding” Y.B Jeon, B O Kam, S S Park, and S B Kim Đề tài đưa ra một mô hình robot di động dùng để hàn đường thẳng Cảm biến dò đường hàn di chuyển cùng với bàn trượt mang đầu mỏ hàn Bộ điểu khiển nhận thông tin về sai số từ cảm biến để điều khiển chuyển động của robot theo phương trình lập sẵn

+ “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

1.2.2 Trong nước:

Trước nhu cầu sản xuất công nghiệp trong nước và nhằm nghiên cứu chế tạo các mẫu robot thay thế ngoại nhập, gần đây một số đơn vị trong nước đã nghiên cứu

và ứng dụng khá thành công các mẫu robot sau:

- 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… nhưn 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,… Nguyên nhân chính của những khó khăn trên là cảm biến dùng để dò đường hàn Các cảm biến dùng dò trực tiếp đường hàn như: laser beam, camera đặc biệt, cảm biến siêu âm độ chính xác cao,… có giá thành rất cao

1.3 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:

1.3.1 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 1.8: Động học tay máy công nghiệp 6 bậc tự do

Hình 1.9: 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

Hình 1.10: 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:

e) Hình 1.11: 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

1.3.2 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 1.12: Tay máy trượt trên ray ngang đặt trên sàn

Hình 1.13: Tay máy trượt trên ray được treo trên xà

Hình 1.14: Tay máy trượt trên ray ngang đặt trên vách

Hình 1.15: Tay máy trượt trên ray đặt thẳng đứng để hàn vách đứng

- Tay máy công nghiệp được gắn trên mobile robot

Hình 1.16: Tay máy gắn trên mobile robot di chuyển bằng bánh xe

Hình 1.17: 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 1.18: Rùa hàn tự động chạy trên ray

Hình 1.19: Các hình dạng ray

- Dạng rùa hàn không dựa vào ray:

Hình 1.20: Rùa hàn tựa vào vật hàn làm dẫn hướng

Hình 1.21: Rùa hàn có nam châm để hàn đứng

1.4 PHƯƠNG PHÁP HÀN:

Các phương pháp hàn thường sử dụng trong ngành công nghiệp đóng tàu:

1.4.1 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

1.4.1.1 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

Hình 1.22: Công nghệ hàn TIG

1.4.1.2 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 1.23 : Công nghệ hàn hồ quang plasma

1.4.1.3 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

Hình 1.25: 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

1.4.2 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 cắc 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 …

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

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

1.4.4 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

1.5 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 1.27: Các dạng đường hàn Trường hợp vật dày, hàn một lớp không ngấu hết, phải hàn nhiều lớp:

Hình 1.28: 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 1.29: 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

Hình 1.32: Quĩ đạo công nghệ hàn được tạo ra

do kết hợp chuyển động của các khớp

1.6 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TÀU THUỶ:

1.6.1 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

1.6.2 Công nghệ đóng tàu:

1.6.2.1 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

1.6.2.2 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

1.6.2.3 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

- 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

1.6.2.4 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

1.6.2.5 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

Hình 1.35: 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 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 sườnn 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

1.7 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI:

Đề tài với những mục tiêu sau:

- Nghiên cứu 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 dể vận chuyển và dễ vận hành có giá thành phù hợp với thị trường trong nước

- Nghiên cứu giải pháp nhận biết các tọa độ trên quĩ đạo hàn cho trước

- Chế tạo mô hình thử nghiệm và đánh giá kết quả

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

“Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn tự hành chuyên dùng

hàn các đường cong phẳng trong mặt phẳng ngang”

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ GIẢI PHÁP VỀ CẤU TRÚC, BỐ TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT HÀN TỰ HÀNH TRONG MẶT PHẲNG

NGANG

2.1 CÁC GIẢI PHÁP VỀ CẤU TRÚC HIỆN CÓ TRÊN THẾ GIỚI VỀ ROBOT HÀN TỰ HÀNH:

2.1.1 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 2.1: Robot hàn tự hành dùng hàn góc của BugO