Nghiên cứu ứng dụng robot hàn trong xây dựng quy trình hàn tự động mũi cọc chữ x

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH CAO TRÍ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ROBOT HÀN TRONG XÂY DỰNG QUY TRÌNH HÀN TỰ ĐỘNG MŨI CỌC CHỮ X RESEARCH AND APPLICATION OF WELDING ROBOT IN BUILDING OF AUTOMATIC WELDING PROCESS X PILE TIP Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 8520114 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2023 i Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS PHÙNG TRÍ CƠNG Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Cán chấm nhận xét 2: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ngày 07 tháng 07 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: PGS.TS NGUYỄN DUY ANH Thư ký: TS PHÙNG THANH HUY Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Phản biện 2: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ Ủy viên: TS TRẦN VIỆT HỒNG Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HUỲNH CAO TRÍ MSHV: 2070612 Ngày, tháng, năm sinh: 26/07/1998 Nơi sinh: LONG AN Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ điện tử Mã số : 8520114 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ROBOT HÀN TRONG XÂY DỰNG QUY TRÌNH HÀN TỰ ĐỘNG MŨI CỌC CHỮ X (RESEARCH AND APPLICATION OF WELDING ROBOT IN BUILDING OF AUTOMATIC WELDING PROCESS X PILE TIP) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nội dung luận văn: Luận văn trình bày phương pháp mới, đơn giản với chi phí thấp để nhận diện đường hàn chi tiết mũi cọc chữ X nhờ vào hệ thống cảm biến đo khoảng cách động xoay cảm biến Kết hợp giao tiếp với robot hàn để tiến hành trình hàn giúp tự động hóa q trình hàn, cải thiện chất lượng giảm chi phí sản xuất sản phẩm mũi cọc chữ X Nhiệm vụ đề tài tập trung giải vấn đề: - Tính tốn, thiết kế hệ thống bàn gá hàn cho mũi cọc chữ X - Thiết kế hệ thống cảm biến phát đường hàn mũi cọc chữ X - Xây dựng quy trình hàn tự động cho mũi cọc chữ X III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2023 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 26/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Phùng Trí Cơng Tp HCM, ngày 26 tháng 06 năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO TS PHÙNG TRÍ CƠNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ iii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn xin cảm ơn ba mẹ, người vất vả nuôi nấng bên bên cạnh để vượt qua khó khăn đời, khuyên nhủ, động viên mắc sai lầm Em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung Khoa Cơ Khí nói riêng cơng lao giảng dạy, truyền đạt kiến thức quý báu suốt thời gian học trường Những kiến thức hành trang quan trọng công việc sống em sau Trong trình làm luận văn, em gặp nhiều khó khăn việc tiếp cận kiến thức giải vấn đề Em xin cảm ơn thầy Phùng Trí Cơng hướng dẫn tận tình, bổ sung kiến thức, nghiêm khắc tạo điều kiện tốt để em hồn thành luận văn Mình xin cảm ơn tất bạn sinh viên học tập, giúp đỡ, trao đổi chia sẻ kiến thức học tập suốt trình học tập trường Đại học Bách Khoa Cảm ơn người bạn thân bên cạnh hỗ trợ, ủng hộ giúp đỡ suốt trình thực luận văn Với thời gian thực luận văn có hạn chưa có nhiều kinh nghiệm, luận văn chắn có nhiều sai sót Rất mong góp ý từ thầy bạn để đề tài trở nên hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng năm 2023 Huỳnh Cao Trí iv TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày phương pháp mới, đơn giản với chi phí thấp để nhận diện đường hàn chi tiết mũi cọc chữ X nhờ vào hệ thống cảm biến đo khoảng cách động xoay cảm biến Kết hợp giao tiếp với robot hàn để tiến hành trình hàn giúp tự động hóa q trình hàn, cải thiện chất lượng giảm chi phí sản xuất sản phẩm mũi cọc chữ X Quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị thực nghiệm kiểm chứng phương pháp đề tài trình bày gói gọn chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Đề xuất phương án giải vấn đề Chương 3: Thiết kế hệ thống hàn tự động mũi cọc chữ X Chương 4: Giải thuật kết thực nghiệm nhận diện đường hàn Chương 5: Tổng kết hướng phát triển Tài liệu tham khảo phụ lục v ABSTRACT This thesis presents a new, simple and low-cost method to detect welds on X pile tip thanks to a distance measuring sensor system and sensor rotation motor Combining communication with the welding robot to conduct the welding process helps to automate the welding process, improve quality and reduce production costs of X-pile tip Research, design, manufacture equipment and the experimental method verification of the topic is presented in chapters: Chapter 1: Overview Chapter 2: Proposing a solution to the problem Chapter 3: Design of automatic X pile tip welding system Chapter 4: Algorithm and experimental results of weld identification Chapter 5: Summary and development direction References and appendices vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Mọi giúp đỡ thực luận văn cảm ơn thông tin tham khảo, trích dẫn rõ nguồn gốc rõ ràng phép cơng bố Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng năm 2023 Học viên thực Huỳnh Cao Trí vii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv LỜI CAM ĐOAN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH x DANH MỤC BẢNG BIỂU xv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung robot hàn 1.1.1 Robot hàn 1.1.2 Cấu trúc ứng dụng robot hàn 1.1.3 Lợi ích robot hàn 1.1.4 Các kĩ thuật hàn 1.2 Các yêu cầu kĩ thuật hàn chất lượng mối hàn 1.2.1 Yêu cầu kĩ thuật hàn 1.2.2 Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn 1.3 Các nghiên cứu liên quan đến robot hàn 1.3.1 Các nghiên cứu nước 1.3.2 Các nghiên cứu nước 1.4 Đặt vấn đề tính cấp thiết đề tài 11 1.5 Mục tiêu nghiên cứu - nhiệm vụ đề tài 13 1.6 Ý nghĩa đề tài 13 1.7 Đối tượng, phạm vi đề tài 14 1.8 Phương pháp nghiên cứu 14 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 15 viii 2.1 Phân tích phương pháp nhận dạng đường hàn 15 2.2 Nhận xét đề xuất hướng giải 19 2.3 Kết cấu hệ thống cảm biến tìm đường hàn 20 2.4 Cơ sở toán học phương pháp 22 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÀN TỰ ĐỘNG MŨI CỌC CHỮ X 25 3.1 Tính tốn thiết kế khí bàn gá mũi cọc chữ X 25 3.1.1 Thiết kế khung, bàn gá 25 3.1.2 Tính tốn thiết kế, lựa chọn động cơ, hộp số truyền động 26 3.1.3 Giải pháp kết nối điện bàn xoay với máy hàn 30 3.2 Thiết kế hệ thống cảm biến tìm đường hàn 31 3.2.1 Lựa chọn cảm biến 31 3.2.2 Thiết kế hệ thống trượt tịnh tiến dọc theo đường hàn 35 3.2.3 Thiết kế cụm xoay cảm biến 37 3.3 Thiết kế hệ thống điện 39 3.3.1 Chọn thiết bị điều khiển 39 3.3.2 Chọn cảm biến tiệm cận 40 3.3.3 Lựa chọn driver điều khiển động bước 40 3.3.4 Thiết kế chọn nguồn điện 42 3.4 Giao tiếp vi điều khiển với máy tính máy tính với robot 43 3.4.1 Phân tích lựa chọn số bậc tự robot 43 3.4.2 Robot MOTOMAN UP6 – XRC 45 3.4.3 Giới thiệu giao tiếp RS232 dùng Datatransmission 46 3.4.4 Kết nối thiết bị 47 3.4.5 Cài đặt tham số hệ thống 48 3.4.6 Giao thức BSC Like 50 3.4.7 Giao diện Window forms 52 ix CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 55 4.1 Giải thuật tính tốn quỹ đạo đường hàn dựa cở sở toán học 56 4.2 Giải thuật tìm đường hàn dựa giao điểm đường thẳng 61 4.3 Calib giá trị đo cảm biến đo khoảng cách 65 4.4 Calib góc ban đầu cảm biến 68 4.4.1 Calib vị trí góc cảm biến ngang 68 4.4.2 Calib vị trí góc cảm biến đứng 69 4.5 Tiến hành thực nghiệm tìm đường hàn 71 4.5.1 Thực nghiệm tìm đường hàn 71 4.5.2 Tạo chương trình hàn cho robot hàn 72 4.6 Kiểm chứng kết tìm kiếm đường hàn 74 4.6.1 Phương pháp kiểm chứng: 74 4.6.2 Xác định tọa độ đường hàn thực 75 4.6.3 Kết quỹ đạo thu lần đầu 85 4.6.4 Kết quỹ đạo sau cải tiến giải thuật 92 4.6.5 Kết quỹ đạo áp dụng phương pháp giao đường thẳng 98 4.6.6 Kết tracking theo quỹ đạo đường hàn tìm robot 104 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 106 5.1 Nhận xét kết đạt đề tài 106 5.2 Hướng phát triển đề tài 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 Phụ lục A 111 101 Hình 4.63 Kết áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ II Hình 4.64 Sai số góc phần tư thứ II áp dụng giải thuật giao điểm 102 Hình 4.65 Kết áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ III Hình 4.66 Sai số góc phần tư thứ III áp dụng giải thuật giao điểm 103 Hình 4.67 Kết áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ IV Hình 4.68 Sai số góc phần tư thứ IV áp dụng giải thuật giao điểm 104 Nhận xét: - Kết quỹ đạo đường hàn áp dụng giải thuật giao điểm xác so với kết lần đầu kết giải thuật loại nhiễu - Sai số trung bình quỹ đạo tìm quỹ đạo thực lúc giảm khoảng -+2mm 4.6.6 Kết tracking theo quỹ đạo đường hàn tìm robot Từ liệu quỹ đạo đường hàn tìm giải thuật giao điểm đường thẳng, tiến hành truyền tọa độ điểm hàn đến robot thực nghiệm tracking kết (hình 4.69) => Kết thực nghiệm cho thấy đầu hàn robot bám theo đường hàn góc phần tư mũi cọc chữ X tương đối xác Link video kết trình thực nghiệm tracking robot: https://www.youtube.com/watch?v=R5HrXXqa30&list=PLK3RCVDRW4h5jciwJoK xjS-nDJr9nZrNb&index=13 105 Hình 4.69 Kết trình thực nghiệm tracking quỹ đạo đường hàn tìm 106 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau hoàn thành việc thiết kế, chế tạo thử nghiệm mơ hình hệ thống ứng dụng robot để tự động hóa quy trình hàn cho mũi cọc chữ X Chương trình bày tổng kết cơng việc hồn thành hạn chế hệ thống cần cải tiến, đồng thời đưa đề xuất phát triển tương lai 5.1 Nhận xét kết đạt đề tài Kết đạt đề tài hoàn thành nhiệm vụ mục tiêu đặt ra: Đề tài hồn thành q trình phân tích đề xuất lựa chọn phương án giải vấn đề nhận diện đường hàn cho mũi cọc chữ X Đề tài hoàn thành việc nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị gá đặt hệ thống cảm biến nhận diện đường hàn với kích thước 500x485x950 mm có khối lượng thực tế khoảng 30kg Đề tài hoàn thành việc nghiên cứu phát triển giải thuật tính tốn quỹ đạo đường hàn đứng ngang mũi cọc chữ X sở tốn học Qũy đạo đường hàn tìm thơng qua giải thuật tính tốn cho kết hình dạng bám theo quỹ đạo thực quỹ đạo lý thuyết Điều chứng minh tính đắn khả thi phương pháp nhận diện đường hàn Thông qua đối chiếu kiểm tra kết đường hàn tìm từ giải thuật với đường hàn thực thu từ phương pháp chạm điểm robot Tuy sai số đường hàn mà giải thuật nhận diện đường hàn thực tế, qua lần cải tiến giải thuật, kết giải thuật giao diểm đường thẳng cuối cho kết sai số +-2mm chấp nhận Đề tài hoàn thành việc giao tiếp truyền liệu vi điều khiển máy tính máy tính robot, giúp robot nhận quỹ đạo đường hàn tiến hành trình hàn tự động cho quy trình hàn mũi cọc chữ X 107 Những điểm cần cải tiến: Trong trình cải tiến giải thuật cách giảm góc lấy mẫu để tăng số lượng điểm mẫu lên ta nhận thấy khả đáp ứng xác động RC servo khơng tốt góc nhỏ dẫn đến sai số góc làm sai lệch kết tính tốn đường hàn =>Khắc phục vấn đề cách thay động Rc servo sử dụng sang loại động Step để đẩm bảo vi bước xác Qua trình thực nghiệm thu thập liệu đường hàn ta nhận thấy điểm hàn đầu cuối q trình có sai lệch lớn vị trí cịn lại Lý giải vấn đề đường hàn ngang có dạng chữ V nên vị trí bắt đầu đỉnh V góc phản xạ tia laser lên bề mặt mũi cọc lớn nhỏ dẫn đến việc tia phản xạ không quay cảm biến làm cho cảm biến không đo giá trị đo khoảng cách bị sai =>Để khắc phục vấn đề ta định vị lại vị trí mũi cọc bàn gá thành phần cho hường hàn ngang dạng đường thẳng giúp góc phản xạ cảm biến đọc khoảng cách nằm vùng ổn định giúp kết đo xác Cảm biến TW10s đo khoảng cách có khả đọc xác đến mm, nhiên nguyên lý khoảng cách phương pháp time of flight (TOF) nên độ xác cảm biến cịn phụ thuộc nhiều vào màu sắc, độ nhám bề mặt vật cản =>Nghiên cứu phát triển thêm giải thuật chống nhiễu cho cảm biến Tìm loại cảm biến đo khoảng cách khác tốt với nguyên lý tốt để giảm sai số Thời gian tìm kím đường hàn hệ thống lâu số lượng lấy mẫu cảm biến nhiều => Nghiên cứu cải tiến giải thuật tính tốn quỹ đạo điểm hàn tối ưu hướng đến tính kinh tế áp dụng thực tiễn giải pháp 108 5.2 Hướng phát triển đề tài Học viên nhận thấy đề tài có số hướng phát triển sau: Nghiên cứu ứng dụng phương pháp giải vấn đề đề tài cho sản phẩm có tính chất tương đồng với sản phẩm mũi cọc chữ X Như hàn ống chữ T, chi tiết bass đệm chân bàn máy Nghiên cứu chống nhiễu cho cảm biến đo khoảng cách màu sắc, độ nhám chi tiết hàn thay đổi Nghiên cứu thông số hàn, phát triển công nghệ hàn để robot tiến hành hàn chi tiết mũi cọc theo quỹ đạo hàn cho mối hàn đảm bảo chịu lực mà bị biến dạng trình hàn, bước áp dụng giải pháp vào thực tiễn Ứng dụng phương pháp giải vấn đề đề tài cho mục đích tìm kiếm phát mối hàn bị lỗi, nứt, rỗ, khuyết tật hàn 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V V Tín "Nghiên cứu thiết kế đồ gá hàn tự động nối mặt bích ống xy lanh thuỷ lực," Luận văn thạc sỹ, Trường đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2019 [2] N T Phương P V Hoàn "Robot hàn tự động," Tạp chí khoa học giáo dục kĩ thuật, số 22/2012, Trường đại học sưu phạm kĩ thuật TPHCM, trang 76-80 2012 [3] L C Cương Đ T Ngôn "Nghiên cứu phát triển robot hàn tự động nhận diện mối hàn," Tạp chí khoa học giáo dục kĩ thuật, số 21/2011, Trường đại học sưu phạm kĩ thuật TPHCM, trang 51-566, 2011 [4] Y Zou, X Chen, G Gong and J Li "A seam tracking system based on a laser vision sensor," Measurement, vol 127, pp, 489-500, 2018 [5] Z Yin, X Ma, X Zhen, W Li and W Cheng "Welding Seam Detection and Tracking Based on Laser Vision for Robotic Arc Welding," Journal of Physics: Conference Series, vol 1650, p 022030, 2020 [6] G Li, Y Hong, J Gao, B Hong and X Li "Welding Seam Trajectory Recognition for Automated Skip Welding Guidance of a Spatially Intermittent Welding Seam Based on Laser Vision Sensor," Sensors, vol 20, no 3657, 2020 [7] J D Sunl, G Z Caol, S D Huang, K Chenl and J J Yang "Welding Seam Detection and Feature Point Extraction for Robotic Arc Welding Using LaserVision," presented at 2016 13th Interational Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence, Softel Xian on Renmin Square, Xian, China, 2016 [8] Z Jia, T Wang, L Li and J He "Laser Vision‑Based Automatic Trajectory Planning Technology for Spatial Intersecting Joint Weld." International Journal of Precision Engineering and Manufacturing [Online] Available : https://doi.org/10.1007/s12541-019-00248-0 110 [9] D Liang, Y Wu, K Hu, J J Bu, D T Liang, Y F Feng and J Q Ma "Weld seam track identification for industrial robot based on illumination correction and center point extraction," Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, vol 16, no 3, 2022 [10] Y Xu and Z Wang "Visual sensing technologies in robotic welding Recent research developments and future interests," Sensors and Actuators A: Physical, vol 320, 2021 [11] P Kah, M Shrestha, E Hiltunen and J Martikainen "Robotic arc welding sensors and programming in industrial applications" International Journal of Mechanical and Materials Engineering, no 13, 2015 [12] Motoman "Motoman XRC Controller Data Transmission Function Manual for UP/SKX-Series Robots." Motoman Incorporated, Japan, 2007 [13] Motoman "Motoman XRC 2001 Controller Operator’s Manual for Arc Welding." Motoman Incorporated, Japan, 2006 [14] Motoman "Motoman XRC 2001 Controller XRC Instructions Manual." Motoman Incorporated, Japan, 2007 [15] MyAntenna "Hướng dẫn sử dụng cảm biến laser TW10S." Shenzhen Motian RF Technology Co., Ltd, China, 2019 [16] Leadshine "DM542 Fully Digital Stepper Drive Manual." Leadshine Technology Co., Ltd, China, 2012 111 Phụ lục A Các vẽ chế tạo vẽ sơ đồ điện Hình A.1 Bản vẽ chế tạo chi tiết Tấm đế lắp hộp số Hình A.2 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bàn xoay 112 Hình A.3 Bản vẽ chế tạo chi tiết Khung Hình A.4 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bass di động 113 Hình A.5 Bản vẽ chế tạo chi tiết Gá cảm biến Hình A.6 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bass lắp servo đứng 114 Hình A.7 Bản vẽ sơ đồ điện thiết bị 115 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: HUỲNH CAO TRÍ Ngày, tháng, năm sinh: 26/07/1998 Nơi sinh: Long An Địa liên lạc: Số nhà 03, Ấp Phước Tú, Xã Thanh Phú, Bến Lức, Long An QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2016 – 2020: Học ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử - Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM 2020 – 2023: Học sau đại học ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử - Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 5/2018-8/2018: Thực tập kĩ thuật công ty CNC3S 6/2019-9/2019: Thực tập tốt nghiệp công ty thương mại, dịch vụ khí Linh Phong 9/2019-2/2020: Nhân viên kĩ thuật cơng ty thương mại, dịch vụ khí Linh Phong 11/2020-7/2023: Nhân viên thiết kế – tự động hóa cơng ty Plenma