Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: 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 7 năm 2023

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS PHÙNG TRÍ CÔNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại 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:

1 Chủ tịch: PGS.TS NGUYỄN DUY ANH 2 Thư ký: TS PHÙNG THANH HUY

3 Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG 4 Phản biện 2: PGS.TS TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ 5 Ủy viên: TS TRẦN VIỆT HỒNG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - 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 của luận văn:

Luận văn trình bày một phương pháp mới, đơn giản với chi phí thấp để nhận diện đường hàn trên chi tiết mũi cọc chữ X nhờ vào hệ thống cảm biến đo khoảng cách và động cơ xoay cảm biến Kết hợp giao tiếp với robot hàn để tiến hành quá trình hàn giúp tự động hóa quá trình hàn, cải thiện chất lượng và giảm chi phí sản xuất sản phẩm mũi cọc chữ X

Nhiệm vụ của đề tài tập trung giải quyết các vấn đề:

- Tính toán, thiết kế hệ thống bàn gá hàn cho mũi cọc chữ X

- Thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện các đường hàn trên 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

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này con xin cảm ơn ba mẹ, người đã vất vả nuôi nấng con và bên luôn bên cạnh con để vượt qua mọi khó khăn trong cuộc đời, luôn khuyên nhủ, động viên con mỗi khi con mắc sai lầm.

Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh nói chung cũng như Khoa Cơ Khí nói riêng vì công lao giảng dạy, truyền đạt các kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tại trường Những kiến thức ấy sẽ là hành trang quan trọng trong công việc và cuộc sống của em sau này

Trong quá trình làm luận văn, em đã gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận các kiến thức và giải quyết vấn đề Em xin cảm ơn thầy Phùng Trí Công vì đã hướng dẫn tận tình, bổ sung kiến thức, nghiêm khắc và tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành được luận văn này

Mình xin cảm ơn tất cả các bạn sinh viên đã cùng học tập, giúp đỡ, trao đổi và chia sẻ kiến thức và cùng nhau học tập trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Cảm ơn những người bạn thân đã luôn bên cạnh hỗ trợ, ủng hộ và giúp đỡ mình trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Với thời gian thực hiện luận văn có hạn và chưa có nhiều kinh nghiệm, luận văn này chắc chắn sẽ có nhiều sai sót Rất mong sự góp ý từ thầy cô và các bạn để đề tài trở nên hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 6 năm 2023 Huỳnh Cao Trí

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này trình bày một phương pháp mới, đơn giản với chi phí thấp để nhận diện đường hàn trên chi tiết mũi cọc chữ X nhờ vào hệ thống cảm biến đo khoảng cách và động cơ xoay cảm biến Kết hợp giao tiếp với robot hàn để tiến hành quá trình hàn giúp tự động hóa quá trình hàn, cải thiện chất lượng và giảm chi phí sản xuất sản phẩm mũi cọc chữ X Quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị và thực nghiệm kiểm chứng phương pháp của đề tài được trình bày gói gọn trong 5 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Đề xuất phương án giải quyết vấn đề

Chương 3: Thiết kế hệ thống hàn tự động mũi cọc chữ X

Chương 4: Giải thuật và kết quả thực nghiệm nhận diện đường hàn Chương 5: Tổng kết và hướng phát triển

Tài liệu tham khảo và phụ lục

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 5 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.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin tham khảo, trích dẫn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép được công bố

Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 6 năm 2023

Học viên thực hiện

Huỳnh Cao Trí

1.1.2 Cấu trúc cơ bản và ứng dụng của robot hàn 2

1.1.3 Lợi ích của robot hàn 3

1.1.4 Các kĩ thuật hàn hiện nay 4

1.2 Các yêu cầu kĩ thuật khi hàn và chất lượng mối hàn 5

1.2.1 Yêu cầu kĩ thuật khi hàn 5

1.2.2 Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn 7

1.3 Các nghiên cứu liên quan đến robot hàn 8

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước 9

1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước 9

1.4 Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài 11

1.5 Mục tiêu nghiên cứu - nhiệm vụ của đề tài 13

1.6 Ý nghĩa của đề tài 13

1.7 Đối tượng, phạm vi của đề tài 14

1.8 Phương pháp nghiên cứu 14

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 15

2.1 Phân tích các phương pháp nhận dạng đường hàn 15

2.2 Nhận xét và đề xuất hướng giải quyết 19

2.3 Kết cấu của hệ thống cảm biến tìm đường hàn 20

2.4 Cơ sở toán học của phương pháp 22

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÀN TỰ ĐỘNG MŨI CỌC CHỮ X 25

3.1 Tính toán thiết kế cơ khí bàn gá mũi cọc chữ X 25

3.1.1 Thiết kế khung, bàn gá 25

3.1.2 Tính toán thiết kế, lựa chọn động cơ, hộp số và 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 cơ bước 40

3.3.4 Thiết kế chọn nguồn điện 42

3.4 Giao tiếp vi điều khiển với máy tính và máy tính với robot 43

3.4.1 Phân tích lựa chọn số bậc tự do của robot 43

3.4.2 Robot MOTOMAN UP6 – XRC 45

3.4.3 Giới thiệu giao tiếp RS232 dùng trong Datatransmission 46

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 55

4.1 Giải thuật tính toán quỹ đạo đường hàn dựa trên cở sở toán học 56

4.2 Giải thuật tìm đường hàn dựa trên giao điểm 2 đường thẳng 61

4.3 Calib giá trị đo của cảm biến đo khoảng cách 65

4.4 Calib góc 0 ban đầu của cảm biến 68

4.4.1 Calib vị trí góc 0 của cảm biến ngang 68

4.4.2 Calib vị trí góc 0 của 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 quả 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 quả quỹ đạo thu lần đầu 85

4.6.4 Kết quả quỹ đạo sau khi cải tiến giải thuật 92

4.6.5 Kết quả quỹ đạo áp dụng phương pháp giao 2 đường thẳng 98

4.6.6 Kết quả tracking theo quỹ đạo đường hàn tìm được của robot 104

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 106

5.1 Nhận xét kết quả đạt được của đề tài 106

5.2 Hướng phát triển của đề tài 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 109

Phụ lục A 111

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Một robot hàn công nghiệp 1

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản và các tọa độ của robot hàn 2

Hình 1.3 Cọc bê tông và chi tiết mũi cọc chữ X 12

Hình 2.5 Kết cấu một loại robot sử dụng cảm biến quang hoặc laser [3] 18

Hình 2.6 Robot sử dụng phương pháp nhận biết đường hàn bằng camera [9] 18

Hình 2.7 Hệ thống nhận diện đường hàn sử dụng camera kết hợp laser [7] 19

Hình 2.8 Nhận diện đường hàn nằm ngang 21

Hình 2.9 Nhận diện đường hàn đứng 21

Hình 2.10 Mô hình hoạt động bàn gá và hệ thống cảm biến 22

Hình 2.11 Sơ đồ khối của hệ thống 22

Hình 2.12 Tính toán tìm điểm hàn trên mặt cắt vuông góc phương duy chuyển của cảm biến [6] 22

Hình 2.13 Điểm hàn tại các vị trí mặt cắt dọc đường hàn [6] 22

Hình 3.1 Mô hình mũi cọc thử nghiệm 25

Hình 3.2 Khung máy 26

Hình 3.3 Bàn đỡ hộp số bước và đĩa gá mũi cọc chữ X 26

Hình 3.4 Cấu tạo sơ bộ hộp số bước 27

Hình 3.5 Hộp số bước DEX CAMS 4-270 27

Hình 3.6 Bộ truyền đai răng 5M 28

Hình 3.7 Động cơ bước 57CM23 Leadshine 29

Hình 3.8 Bộ góp điện than chì 31

Hình 3.9 Vị trí bộ góp điện cực âm cho bàn xoay 31

Hình 3.10 Cảm biến khoảng cách VL53L0X Laser Distance ToF Sensor 31

Hình 3.11 Cảm biến khoảng cách TW10S Laser 32

Hình 3.12 Bộ cảm biến Keyence Laser Analog CMOS IL065 33

Hình 3.13 Kích thước cảm biến TW10S Laser [15] 34

Hình 3.14 Định dạng giao thức truyền thông của cảm biến TW10S [15] 34

Hình 3.15 Ví dụ đọc khoảng cách và phản hồi của cảm biến TW10S [15] 35

Hình 3.16 Vít me bi SUF105 35

Hình 3.17 Gối lắp ổ bi, con trượt và ray trượt vuông MGN12C 35

Hình 3.18 Motor bước 42CM Leadshine 36

Hình 3.19 Hệ tịnh tiến ngang (trái) và đứng (phải) 36

Hình 3.20 Tâm xoay của cảm biến 37

Hình 3.21 Bản vẽ chi tiết gá cảm biến 38

Hình 3.27 Sơ đồ kết nối dây của driver DM542 [16] 41

Hình 3.28 Độ phân giải vi bước của driver [16] 42

Hình 3.29 Nguồn tổ ong cấp nguồn cho thiết bị 43

Hình 3.30 Giao tiếp UART truyền nhận dữ liệu giữa arduino và máy tính 44

Hình 3.31 Giao tiếp RS232 giữa máy tính và bộ điều khiển robot XRC 44

Hình 3.32 Robot UP6 và tủ điều khiển XRC 45

Hình 3.33 Tủ điện XRC và bảng điều khiển 46

Hình 3.34 Bản vẽ kích thước vùng hoạt động robot UP6 46

Hình 3.35 Các thông số kĩ thuật cơ bản của giao tiếp 47

Hình 3.36 Sơ đồ đấu dây theo chuẩn null-modem cable[12] 47

Hình 3.37 Cáp chuyển USB-RS232 và sơ đồ đấu dây 48

Hình 3.38 Quá trình truyền từ máy tính chủ tới XRC [12] 51

Hình 3.39 Các ký tự, mã điều khiển 52

Hình 3.40 Đoạn code chương trình theo sơ đồ truyền nhận 53

Hình 3.41 Giao diện điều khiển robot qua RS232 viết bằng C# 53

Hình 3.42 Cấu trúc dữ liệu truyền cho robot 54

Hình 3.43 Chức năng Position Type của robot [13] 54

Hình 3.44 Cấu trúc 1 biến vị trí [13] 54

Hình 4.1 Mô hình 3D thiết kế của thiết bị 55

Hình 4.2 Kích thước tổng quát của thiết bị 55

Hình 4.3 Mô hình sau khi chế tạo 56

Hình 4.4 Tọa độ tính toán quỹ đạo đường hàn của bàn gá 56

Hình 4.5 Chương trình chính hoạt động của hệ thống 59

Hình 4.6 Giải thuật chương trình con tìm đường hàn ngang 59

Hình 4.7 Giải thuật chương trình con tìm đường hàn đứng 60

Hình 4.8 Vị trí hàn và vị trí tìm quỹ đường hàn 60

Hình 4.9 Sai số do lấy mẫu rời rạc 62

Hình 4.10 Ví dụ quá trình tìm đường hàn của 1 góc phần tư áp dụng giải thuật giao điểm 2 đường thẳng 64

Hình 4.11 Giải thuật tìm điểm hàn bằng phương pháp giao điểm 2 đường thẳng 64

Hình 4.12 Phương pháp calib cảm biến 65

Hình 4.13 Giá trị khoảng cách đọc được từ cảm biến 65

Hình 4.14 Kết quả đa thức phù hợp với bộ dữ liệu cảm biến đường hàn ngang 66

Hình 4.15 Kết quả đa thức phù hợp với bộ dữ liệu cảm biến đường hàn đứng 67

Hình 4.16 Calib cảm vị trí góc 0 cảm biến tìm đường hàn ngang 68

Hình 4.17 Cơ sở toán phương pháp tìm vị trí góc 0 của cảm biến ngang 68

Hình 4.18 Calib cảm vị trí góc 0 cảm biến tìm đường hàn đứng 69

Hình 4.19 Cơ sở toán phương pháp tìm vị trí góc 0 của cảm biến đứng 70

Hình 4.20 Set home các cụm cảm biến và bàn xoay 71

Hình 4.21 Quá trình tìm đường hàn ngang 71

Hình 4.22 Quá trình tìm đường hàn đứng 72

Hình 4.23 Quá trình đầu hàn đi ra, vào tiến hành hàn theo quỹ đạo 72

Hình 4.24 Nội dung chương trình hàn của robot 73

Hình 4.25 Chương trình hàn cho robot được viết trên pendant 73

Hình 4.26 Kích thước thiết kế và vị trí các góc phần tư mũi cọc chữ X thử nghiệm 74

Hình 4.27 Đường hàn lý thuyết của mô hình mũi cọc chữ X 75

Hình 4.28 Mô tả tọa độ user cho robot 76

Hình 4.29 Các bước thiết lập một tọa độ người dùng trên robot 76

Hình 4.30 Danh sách tọa độ người dùng 77

Hình 4.31 Hộp thoại lựa chọn 77

Hình 4.32 Hoàn thành hộp thoại thiết lập tọa độ user 77

Hình 4.33 Tọa độ user sau khi thiết lặp trong danh sách 78

Hình 4.34 Chọn tâm góc tọa độ O user trùng với tâm tọa độ O bàn xoay 78

Hình 4.35 Chọn một điểm trên trục OX cập nhật cho tọa độ user 79

Hình 4.36 Chọn một điểm trên trục OY cập nhật cho tọa độ user 79

Hình 4.37 Quá trình tìm đường hàn ngang thực tế của góc thứ I 80

Hình 4.38 Quá trình tìm đương hàn đứng thực tế của góc phần tư thứ I 80

Hình 4.39 Quá trình tìm đường hàn ngang thực tế của góc thứ II 81

Hình 4.40 Quá trình tìm đường hàn đứng thực tế của góc thứ II 81

Hình 4.41 Quá trình tìm đường hàn ngang thực tế của góc thứ III 82

Hình 4.42 Quá trình tìm đường hàn đứng thực tế của góc thứ III 82

Hình 4.43 Quá trình tìm đường hàn ngang thực tế của góc thứ IV 83

Hình 4.44 Quá trình tìm đường hàn đứng thực tế của góc thứ IV 83

Hình 4.45 Kết quả góc phần tư thứ I 88

Hình 4.46 Sai số ở góc phần tư I 88

Hình 4.47 Kết quả góc phần tư thứ II 89

Hình 4.48 Sai số ở góc phần tư II 89

Hình 4.49 Kết quả góc phần tư thứ III 90

Hình 4.50 Sai số ở góc phần tư III 90

Hình 4.51 Kết quả góc phần tư thứ IV 91

Hình 4.52 Sai số ở góc phần tư IV 91

Hình 4.53 Kết quả góc phần tư thứ I sau khi loại bớt nhiễu 94

Hình 4.54 Sai số góc phần tư thứ I sau khi loại bớt nhiễu 94

Hình 4.55 Kết quả góc phần tư thứ II sau khi loại bớt nhiễu 95

Hình 4.56 Sai số góc phần tư thứ II sau khi loại bớt nhiễu 95

Hình 4.57 Kết quả góc phần tư thứ III sau khi loại bớt nhiễu 96

Hình 4.58 Sai số góc phần tư thứ III sau khi loại bớt nhiễu 96

Hình 4.59 Kết quả góc phần tư thứ IV sau khi loại bớt nhiễu 97

Hình 4.60 Sai số góc phần tư thứ IV sau khi loại bớt nhiễu 97

Hình 4.61 Kết quả áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ I 100

Hình 4.62 Sai số góc phần tư thứ I áp dụng giải thuật giao điểm 100

Hình 4.63 Kết quả áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ II 101

Hình 4.64 Sai số góc phần tư thứ II áp dụng giải thuật giao điểm 101

Hình 4.65 Kết quả áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ III 102

Hình 4.66 Sai số góc phần tư thứ III áp dụng giải thuật giao điểm 102

Hình 4.67 Kết quả áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ IV 103

Hình 4.68 Sai số góc phần tư thứ IV áp dụng giải thuật giao điểm 103

Hình 4.69 Kết quả quá trình thực nghiệm tracking quỹ đạo đường hàn tìm được 105 Hình A.1 Bản vẽ chế tạo chi tiết Tấm đế lắp hộp số 111

Hình A.2 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bàn xoay 111

Hình A.3 Bản vẽ chế tạo chi tiết Khung 112

Hình A.4 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bass di động 112

Hình A.5 Bản vẽ chế tạo chi tiết Gá cảm biến 113

Hình A.6 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bass lắp servo đứng 113

Hình A.7 Bản vẽ sơ đồ điện của thiết bị 114

Bảng 2.1 Bảng so sánh các phương pháp nhận diện đường hàn 19

Bảng 3.1 Bảng đánh giá lựa chọn cảm biến đo khoảng cách 33

Bảng 3.2 Bảng tóm tắt công suất các thiết bị 42

Bảng 3.3 Thông số hệ thống liên quan tới giao tiếp RS232 48

Bảng 4.1 Bảng kết quả calib cảm biến khoảng cách tìm đường hàn ngang 66

Bảng 4.2 Bảng kết quả calib cảm biến khoảng cách tìm đường hàn đứng 67

Bảng 4.3 Bảng số liệu tìm vị trí 0 cảm biến phương ngang 69

Bảng 4.4 Bảng dữ liệu đường hàn ngang thực tế của mũi cọc 84

Bảng 4.5 Bảng dữ liệu nội suy đường hàn ngang thực tế 84

Bảng 4.6 Bảng dữ liệu đường hàn đứng thực tế của mũi cọc 84

Bảng 4.7 Bảng dữ liệu nội suy đường hàn đứng thực tế 85

Bảng 4.8 Quỹ đạo đường hàn ngang thu được lần đầu 85

Bảng 4.9 Sai số quỹ đạo đường ngang thu được lần đầu 86

Bảng 4.10 Quỹ đạo đường hàn đứng thu được lần đầu 86

Bảng 4.11 Sai số quỹ đạo đường đứng thu được lần đầu 86

Bảng 4.12 Bảng dữ liệu đường hàn ngang sau khi cải tiến giải thuật 92

Bảng 4.13 Sai số quỹ đạo đường ngang sau cải tiến 93

Bảng 4.14 Bảng dữ liệu đường hàn đứng sau khi cải tiến giải thuật 93

Bảng 4.15 Sai số quỹ đạo đường đứng sau cải tiến 93

Bảng 4.16 Bảng dữ liệu đường hàn ngang thuật toán giao điểm 2 đường thẳng 98

Bảng 4.17 Sai số quỹ đạo đường ngang giải thuật giao điểm 99

Hình 1.1 Một robot hàn công nghiệp

Năm 1962 robot hàn đầu tiên được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp Một robot do George Devol và Joseph Engelberger phát triển –Unimation 001 ở một nhà máy của General Motor để hàn điểm trên dây chuyền lắp ráp Đây có thể coi đây là một sản phẩm tân tiến của ngành công nghiệp chế tạo robot và mãi đến năm 1980, người ta mới áp dụng công nghệ robot hàn vào hoạt động hàn điểm trong sản xuất ô tô Tuy xuất hiện muộn, nhưng hiện nay robot hàn gia công cơ khí đang chiếm số lượng áp đảo trong tổng số các loại robot được đưa vào sử dụng nhờ vào tính ứng dụng rất cao trong mọi lĩnh vực sản xuất

1.1.2 Cấu trúc cơ bản và ứng dụng của robot hàn

Một robot hàn thường sẽ có hình dạng giống như một cánh tay có khớp giúp xoay và cử động dễ dàng Thiết kế robot giống cánh tay người làm tăng độ linh hoạt, giúp robot có thể thực hiện các công việc đòi sự tỉ mỉ, chuyên nghiệp Đầu cánh tay gắn với súng hàn, góc súng hàn có thể di chuyển linh hoạt để robot có thể hàn ở nhiều vị trí khác nhau Robot hàn thường được thiết kế với 6 bậc tự do được lập trình sẵn

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản và các tọa độ của robot hàn

Bộ phận định vị và gá cố định vật hàn sẽ giúp quá trình hàn diễn ra thuận lợi hơn Khi nối các vật hàn lại với nhau, sự căn chỉnh chính xác là yếu tố rất quan trọng Hệ thống định vị này giúp cho vật nối giữ nguyên tại chỗ trong quá trình hàn Bộ phận định vị và giá cố định giữ chắc chắn các vật hàn cho đến khi đầu hàn tiếp cận đến mối hàn

Hệ thống truyền động của robot hàn gia công cơ khí sử dụng bộ truyền đai răng gồm các loại bánh răng như bánh răng côn xoắn, bánh răng sóng hay con lăn linh hoạt Cấu tạo bộ truyền của robot hàn giúp robot hàn đạt được độ chính xác cao trong công việc bởi bánh răng sóng nhẹ nhưng lại có tỷ số truyền cao Vành răng của loại bánh răng này không chỉ ăn khớp mà còn có khả năng biến dạng ở mức độ nhất định để có thể đạt đến độ chính xác tiêu chuẩn Theo thiết kế này vấn đề xuất hiện khe hở khi robot đảo chiều quay có thể gần như khắc phục

Tủ điều khiển robot cung cấp điện cho suốt quá trình hoạt động của robot Chỉ số điện áp được điều khiển sao cho phù hợp từng hoạt động hàn khác nhau Ngoài ra

robot hàn còn có các bộ phận khác như nguồn hàn, đầu hàn, bộ phận kẹp đầu hàn và các thiết bị cảm biến, thiết bị phụ trợ

Robot hàn có thể ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất hàng loạt như sản xuất ôtô vận tải, điện điện tử, hàng không vũ trụ, kim loại và máy móc Các hãng xe lớn trên thế giới đã ứng dụng robot hàn từ những năm 1980 như Ford , Toyota, Honda, Mercedes Tại Việt Nam nhà máy sản xuất oto của Vinfast hiện đang sử dụng tới 1200 robot hàn để phục vụ nhu cầu sản xuất

1.1.3 Lợi ích của robot hàn

Robot hàn được ứng dụng vào trong sản xuất mang lại rất nhiều lợi ích:

Tăng hiệu suất: khả năng xử lý liên tục của Robot hàn có thể cao hơn 3-5 lần so với con người Đồng thời với khả năng chịu đựng tốt hơn, thời gian thao tác chính xác hơn, di chuyển nhanh hơn, Robot hàn có thể giúp tăng sản lượng vượt trội

Độ ổn định cao: việc hàn thủ công đòi hỏi người thợ cần có tay nghề cao và kinh nghiệm, thêm vào sự tập trung để đạt mức chính xác đồng đều trong các sản phẩm Trong khi đó robot hàn có thể đạt độ chuẩn xác về các mối hàn suốt 24/7

Độ an toàn cao: việc sử dụng robot hàn sẽ giúp giảm thiểu các yếu tố nguy hiểm như: điện giật, khí độc, các điều kiện làm việc trên cao, môi trường dễ cháy nổ,…

Chất lượng sản phẩm tốt, duy trì ổn định về tốc độ, khoảng cách, thời gian, Robot hàn có thể cho ra những sản phẩm đáp ứng được yêu cầu sản xuất, giảm tỉ lệ phế phẩm

Giảm số lượng lao động: sự thiếu hụt về nhân công tay nghề cao có thể được giải quyết khi sử dụng Robot hàn, khi đó ta có thể cắt giảm thời gian đào tạo và làm việc cho nhân viên

Giảm chi phí sản xuất: với sự ổn định lâu dài về năng suất và chất lượng sản phẩm, một sản phẩm robot về lâu dài sẽ giúp ta tiết kiệm năng lượng, cắt giảm tiền lương, bảo hiểm cho nhân viên

Tăng khả năng cạnh tranh: việc sử dụng Robot hàn sẽ giúp các công ty có thể rút ngằn thời gian sản xuất, duy trì, nâng cao chất lượng sản phẩm, phục vụ khách hàng nhiều hơn

1.1.4 Các kĩ thuật hàn hiện nay

Trong công nghệ chế tạo cơ khí, hàn là quá trình liên kết các chi tiết hoặc đắp phủ lên bề mặt vật liệu (kim loại hoặc phi kim) để tạo nên một lớp bề mặt có tính năng đáp ứng yêu cầu sử dụng Hàn là quá trình công nghệ để nối các chi tiết với nhau thành liên kết không tháo rời được mang tính liên tục ở phạm vi nguyên tử hoặc phân tử, bằng cách đưa chỗ nối tới trạng thái nóng chảy, thông qua việc sử dụng một trong hai yếu tố là nhiệt và áp lực, hoặc kết hợp cả hai yếu tố đó Khi hàn có thể sử dụng hoặc không sử dụng thêm vật liệu phụ bổ sung Hiện nay, có các phương pháp hàn chính sau đây:

- Hàn gió đá: Hàn gió (Oxy) đá (Acetylen hay gas Phương pháp này sử dụng các khí trên để gia nhiệt cho chi tiết hàn đạt tới trạng thái nóng chảy và liên kết với nhau Khi hàn có thể dùng vật liệu để điền thêm (filler rod) vào vị trí hàn hoặc không

- Hàn hồ quang điện (arc welding), gọi tắt là Hàn điện hay Hàn que Phương pháp này dùng hồ quang điện được tao ra bởi que hàn để làm nóng chảy kim loại hàn và ngay cả que hàn để điền vào vị trí hàn

- Hàn hồ quang dưới khí bảo vệ T.I.G (Tungsten inert gas): Phương pháp này dùng hồ quang được tạo ra bởi điện cực Tungsten và dùng khí trơ (khí Argon) để bảo vệ mối hàn

- Hàn hồ quang dưới khí bảo vệ M.I.G (Metal inert gas): Thay vì dùng que hàn, người ta dùng 01 cuộn dây kim loại có kích thước từ 0.6 mm - 1.6 mm hoặc lớn hơn làm điện cực hàn và điện cực này cũng là dạng điện cực nóng chảy nhưng được cung cấp một cách liên tục nhưng vẫn được người thợ hàn điều khiển nên còn gọi là hàn bán tự động

- Hàn MAG (Metal active gas): cũng giống với phương pháp hàn MIG, sự khác biệt giữa 2 phương pháp hàn nằm ở chổ khí bảo vệ ở hàn MIG là khí trơ còn ở hàn MAG sử dụng khí bảo vệ là loại khí “hoạt hóa” Hàn MAG ứng dụng nhiều khi hàn thép thường, thép hỗn hợp có hợp kim thấp Khí hoạt hóa thường sử dụng là (CO2), hoặc Argon có trộn thêm khí Oxy (O2) và đôi khi là khí Hydro(H2)

- Hàn Plasma, đây là một dạng biến thể của hàn hồ quang

- Hàn Laser là công nghệ hàn cao cấp sử dụng năng lượng của các nguồn laser - Các phương pháp hàn đặc biệt khác: hàn tia điện tử, hàn nổ, hàn TIG điện cực nén, hàn ma sát, hàn đảo trộn, hàn nấu

1.2 Các yêu cầu kĩ thuật khi hàn và chất lượng mối hàn 1.2.1 Yêu cầu kĩ thuật khi hàn

Trước khi hàn cần phải làm sạch mép các cạnh ghép của đường hàn và phần kim loại sát cạnh đường hàn sao cho thấy được ánh kim Bề rộng khoảng làm sạch trên 10mm mỗi bên Nếu hàn chống nhiều đường hàn cần phải làm sạch xỉ hàn lớp trước mới được hàn lớp sau Không được hàn khi nhiệt độ không khí môi trường dưới 0 độ C Công nghệ hàn phải đảm bảo ứng suất bên trong mối hàn không được quá trị số cho phép Hệ số độ bền mối hàn điện, hàn hơi không được vượt quá trị số trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Hệ số độ bền mối hàn theo các phương pháp hàn

Mối hàn sau khi hàn phải đảm bảo:

- Kiểm tra bên ngoài không có:

+ Nứt bề mặt mối hàn và phần kim loại nóng chảy

+ Bứu, lẹm, cháy thủng, hàn không ngấu và các khuyết tật khác + Chổ gãy móc lệch mép

+ Sai lệch kích thước, hình dạng mối hàn - Kiểm tra kim tương:

+ Không nứt trong kim loại nóng chảy và các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt + Không có chổ hàn không ngấu giữa các lớp hàn với bìa mép

+ Không có chổ hàn thiếu quá 15% bề dày thành hoặc 3mm đối với bề dày trên 20mm hàn 1 phía

+ Không có hiện tượng biến dạng rõ rệt

- Kết quả thử kéo mối hàn bằng trung bình cộng của các mẫu thử, không được thấp hơn độ bền tối thiểu của thép tương ứng, trong đó không có 1 mẫu nào thấp hơn 10% độ bền tối thiểu

- Kết quả thử uốn không được thấp hơn giá trị theo bảng 1.2

Bảng 1.2 Góc uốn cho phép nhỏ nhất

- Trị số độ dai va đập của mối hàn không thấp hơn trị số theo bảng 1.3

Bảng 1.3 Trị số độ dai va đập của mối hàn

1.2.2 Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn

Mối hàn sau khi hàn xong cần được kiểm tra để đảm bảo chất lượng Chất lượng mối hàn phải được kiểm tra bằng một hoặc một số hoặc toàn bộ các phương pháp sau đây tuỳ vào loại mối hàn và thông số làm việc của thiết bị được hàn

- Kiểm tra bên ngoài: Việc kiểm tra đo đạt bên ngoài tiến hành trên toàn bộ chiều dài mối hàn Khi mặt trong không thể kiểm tra cho phép chỉ kiểm tra mặt ngoài của mối hàn Bề mặt mối hàn và phần kim loại bên canh mối hàn cần phải được làm sạch khi kiểm tra, khoảng làm sạch tối thiểu 20mm

- Kiểm tra cơ tính: Kiểm tra cơ tính để xác định độ bền, dẻo của mối hàn Các phương pháp kiểm tra cơ tính bao gồm thử kéo, thử uốn và thử độ dai va đập Ngoài ba dạng thử quy định như trên tuỳ vào yêu cầu có thể áp dụng các phương pháp thử độ cứng, thử độ cắt va đập Thử kéo phải được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN5403-1991 Thử uốn phải được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN5401-1991 Thử độ dai va đập phải thực hiện theo tiêu chuản TCVN 5402-1991

- Phương pháp siêu âm: Đây là phương pháp kiểm tra không phá huỷ mối hàn Kiểm tra mối hàn kim loại bằng việc chiếu tia rơnghen và gama xuyên qua phải thực hiện yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN4395-1986 Kết quả đánh giá của phương pháp kiểm tra siêu âm theo tiêu chuẩn TCVN1548-1987

- Phương pháp thử thuỷ lực: Mối hàn các bộ phận chịu áp lực cần được thử thuỷ lực bằng nước hoặc các chất lỏng có tính chất tương đương Áp suất thử thuỷ lực phải theo trị số bảng 1.4 và thời gian duy trì áp suất ít nhất là 5 phút

Bảng 1.4 Bảng trị số áp suất thử thuỷ lực

1.3 Các nghiên cứu liên quan đến robot hàn

Lĩnh vực robot hàn là một lĩnh vực rất rộng lớn, trải dài với các vấn đề được nghiên cứu từ thiết kế chế tạo robot, robot hàn công nghiệp hay mobile robot hàn, nhận diện mối hàn, nghiên cứu thông số kĩ thuật hàn Tuy nhiên với đề tài ỨNG DỤNG ROBOT HÀN TRONG XÂY DỰNG QUY TRÌNH HÀN TỰ ĐỘNG MŨI CỌC CHỮ X, luận văn này tập trung nghiên cứu liên quan đến các giải pháp nhận diện đường hàn có thể áp dụng cho chi tiết mũi cọc chữ X là chủ yếu Sau đó nghiên

cứu truyền dữ liệu quỹ đạo đường hàn tìm được cho robot để tạo nên 1 quy trình hàn tự động cho chi tiết mũi cọc chữ X

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam trong những năm gần đây có nhiều bài nghiên cứu liên quan đến robot hàn như:

Nghiên cứu thiết kế đồ gá hàn tự động nối mặt bích với ống xy lanh thủy lực –Võ Văn Tín [1] Nghiên cứu này tập trung tính toán thiết kế, cải tiến trang bị công nghệ ở quá trình hàn mặt bích xy lanh vào ống xy lanh thủy lực, hàn kín ống xy lanh thủy lực vào mặt bích xy lanh xe tại Công ty Cổ phần Ô tô Trường Hải

Robot hàn tự động –Nguyễn Thanh Phương và Phan Văn Hoàn [2], nghiên cứu này đề nghị một phương pháp đơn giản dùng trong hàn tự động Hệ thống bao gồm một robot di động ba bánh xe và một bộ dụng cụ hàn Robot di động được điều khiển bằng bộ điều khiển ổn định đơn giản dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov

Nghiên cứu phát triển robot hàn tự động nhận diện mối hàn –Lê Chí Cương và Đặng Thiện Ngôn [3] Nghiên cứu này đề xuất phương pháp nhận diện mối hàn để điều khiển đầu hàn đi theo đường hàn đã được nhận diện cho mối hàn phẳng ghép mí Kết cấu cơ khí và phương án chuyển động công nghệ của đầu hàn cũng được đề cập đến Kết quả của đề xuất sẽ làm cơ sở cho việc thiết kế robot hàn thông minh, có khả năng nhận diện mối hàn bằng phương pháp không tiếp xúc

Mặc dù các nghiên cứu về hàn và robot hàn được nghiên cứu nhiều, tuy nhiên vẫn chưa có đề tài nghiên cứu tự động hóa robot hàn cho sản phẩm mũi cọc chữ X

1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Các bài nghiên cứu ngoài nước liên quan đến lĩnh vực robot hàn nổi bậc như: Một hệ thống bám đường hàn dựa trên cảm biến thị giác và laser -Yanbiao Zou và các cộng sự [4] Trong nghiên cứu này, một hệ thống theo dõi đường hàn mới và mạnh mẽ dựa trên cảm biến thị giác laser được đề xuất Điểm hàn đặc trưng được thu được bằng phương pháp hình thái truyền thống trước khi hàn và do đó có thể xác định

vùng được theo dõi Thuật toán theo dõi bối cảnh không gian thời gian (STC) được sử dụng để phát hiện các điểm đặc trưng trong quá trình hàn để giảm thiểu ánh sáng hồ quang mạnh và nhiễu bắn tóe

Tìm kiếm và bám quỹ đạo đường hàn dựa trên cảm biến thị giác laser cho robot hàn hồ quang- Ziqiang Yin và các cộng sự [5] Nghiên cứu trình bày một cách thức và thuật toán xử lý dữ liệu của cảm biến mới dựa trên “ Công cụ hiệu chỉnh trong Matlab” Phương pháp đề xuất thu được mặt phẳng ánh sáng laser bằng cách chiếu dải tuyến tính trên tấm mẫu hiệu chuẩn trong quá trình hiệu chỉnh camera

Nhận diện quỹ đạo đường hàn, bỏ qua hướng dẫn hàn không gian gián đoạn dựa trên cảm biến thị giác laser-Gaoyang Li và các cộng sự [6] Nghiên cứu giải quyết các vấn đề về hiệu quả giảng dạy lập trình thấp và tính linh hoạt kém trong robot hàn các kết cấu dầm hộp phức tạp Nghiên cứu đã đề xuất phương pháp nhận biết quỹ đạo đường hàn dựa trên thị giác laser dịch chuyển quét để hướng dẫn tự động mỏ hàn trong quá trình hàn và bỏ qua các vị trí gián đoạn của một đường hàn không liên tục Phát hiện đường hàn trích xuất điểm đặc trưng cho robot hàn sử dụng cảm biến thị giác laser - Jun-Di Sun và các cộng sự [7] Nghiên cứu đề xuất một hệ thống nhân diện điểm đặc trưng và đường hàn cho hàn hồ quang robot Hệ thống bao gồm một camera CCD, một cấu trúc laser, một bộ lọc quang học băng hẹp để khắc phục nhiễu từ ánh sáng hồ quang và các nguồn ánh sáng khác, và một máy tính nhúng để xử lý hình ảnh và tính toán lỗi Bằng cách sử dụng phương pháp đo lường tam giác quang học, các vị trí đường hàn của hướng chéo và dọc có thể được đo từ vị trí của các điểm đặc trưng đường hàn trong hình ảnh được chụp

Công nghệ lập quỹ đạo tự động dựa trên thị giác laser cho mối hàn giao nhau trong không gian - Zhenwei Jia và các cộng sự [8] Bài báo này nghiên cứu công nghệ lập kế hoạch quỹ đạo tự động dựa trên thị giác laser cho mối hàn giao nhau trong không gian Đầu tiên mô hình toán học của mối nối giao cắt không có rãnh trục loại T được thiết lập và phân tích các đặc tính đường hàn của các khớp giao nhau Thứ hai, một thuật toán phát hiện pixel tính năng xoay giả tam giác dựa trên thị giác ánh

sáng được đề xuất để trích xuất nhanh chóng vị trí của mối hàn giao nhau Một phương pháp hiệu chuẩn dựa trên tầm nhìn bằng laser cho hệ tọa độ phôi của mối nối giao nhau kiểu chữ T được đề xuất, tọa độ phôi giao nhau và tọa độ cơ sở robot được thiết lập và thu được phương trình quỹ đạo Cuối cùng, một thuật toán kiểm soát nội suy lỗi được đề xuất để tự động phân tách và lập kế hoạch dữ liệu cử chỉ mỏ hàn

Nhận dạng đường hàn cho robot công nghiệp dựa trên hiệu chỉnh ánh sáng và khai thác điểm trung tâm-Dan LIANG và các cộng sự [9] Trong bài báo này, một phương pháp xác định đường hàn dựa trên hiệu chỉnh ánh sáng và khai thác điểm trung tâm được đề xuất để trích xuất các mối hàn có hình dạng khác nhau và tình trạng chiếu sáng không đồng đều

Công nghệ cảm biến hình ảnh trong hàn robot, nghiên cứu gần đây phát triển và lợi ích trong tương lai-Yanling Xu và Ziheng Wang [10] Bài báo này tóm tắt những phát triển nghiên cứu gần đây về robot thông minh dựa trên cảm biến camera và phân tích các đặc điểm, ứng dụng của chúng trong quá trình hàn Các ứng dụng của công nghệ cảm biến tầm nhìn được minh họa, đặc biệt là hiệu chuẩn trực quan, vị trí hướng dẫn hàn ban đầu, theo dõi đường hàn, theo dõi vùng hàn, phát hiện biến dạng tương quan và xác định khuyết tật

Cảm biến hàn hồ quang robot và lập trình ứng dụng công nghiệp - P Kah và các cộng sự [11] Nghiên cứu này làm quen với robot hàn và vai trò của cảm biến trong hàn robot và các vấn đề liên quan đến cảm biến

1.4 Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực xây dựng, cọc bê tông được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau như để gia cố nền đất, làm móng cho công trình, làm vách đứng ngăn đất hoặc để định vị trên mặt đất Cọc bê tông làm móng cho công trình có dạng thanh, chiều dài lớn so với bề rộng tiết diện ngang và được cắm vào lòng đất, đá theo phương trục của nó Cọc có nhiệm vụ truyền tải trọng công trình xuống các tầng đất, đá, sâu hơn trong lòng đất nhằm cho công trình bên trên đạt các yêu cầu của trạng thái giới hạn quy định

Trong quá trình đóng cọc, mũi cọc sẽ chịu một ứng suất rất lớn do đó chúng được thiết kế dạng mũi nhọn để giảm ứng suất và giúp cọc được đóng dễ dàng hơn Hiện nay các cọc bê tông thường được lắp chi tiết mũi cọc chữ X để việc sản suất được dễ dàng và nhanh chóng hơn

Hình 1.3 Cọc bê tông và chi tiết mũi cọc chữ X

Mũi cọc chữ X được thiết kế đơn giản với 4 chi tiết thép tấm hàn với nhau và áp dụng phương pháp hàn MAG (hàn hồ quang điện trong môi trường khí bảo vệ là CO2) vì đây là phương pháp hàn dễ sản xuất và có giá thành thấp

Hình 1.4 Kết cấu hệ thống hàn MIG/MAG

Hiện nay mũi cọc được sản xuất theo quy trình thủ công hoặc bán tự động như sau: Đầu tiên 4 chi tiết hàn được hàn chấm điểm đơn giản để kết nối tạo hình với nhau trên 1 bàn gá tạo thành mũi cọc bán thành phẩm, công đoạn này được thực hiện thủ

công bởi người thợ hàn Sau đó bán thành phẩm sẽ được gá đặt đúng vị trí lên một bàn gá khác, một robot sẽ tiến hành hàn chắc chắn lại tất cả các đường hàn trên mũi cọc Trong quá trình hàn mũi cọc bằng robot, hiện nay người ta thường sử dụng phương pháp lập trình huấn luyện, lấy mẫu điểm dọc theo mối hàn và quá trình hàn sẽ được tiến hành sau khi quá trình lập trình huấn luyện kết thúc Tuy nhiên phương pháp lấy mẫu điểm lập trình huấn luyện còn tồn động rất nhiều hạn chế gây ra nhiều sản phẩm lỗi như: Việc hàn đúng sau khi huấn luyện đòi hỏi các kết cấu gá đặt phải thật chính xác, kích thước của các bán thành phẩm phải tương đồng nhau, quá trình hàn sinh nhiêt lớn gây công vênh dẫn đến lệch mối hàn

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng cọc ngày càng lớn của ngành xây dựng, giảm chi phí gá đặt chính xác, giảm tỉ lệ sản phẩm lỗi và giải phóng con người khỏi môi trường hàn độc hại thì việc xây dựng quy trình hàn tự động cho robot hàn mũi cọc chữ X là thật sự cần thiết

1.5 Mục tiêu nghiên cứu - nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu: Đề tài tập trung vào giải quyết 2 vấn đề sau:

- Thiết kế hệ thống bàn gá cho việc hàn bán thành phẩm mũi cọc chữ X - Xây dựng quy trình hàn tự động mũi cọc chữ X

Nhiệm vụ: Để đạt được mục tiêu trên phải giải quyết các vấn đề sau:

- Tính toán, thiết kế hệ thống bàn gá hàn cho mũi cọc chữ X

- Thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện các đường hàn trên mũi cọc chữ X - Xây dựng quy trình hàn tự động cho mũi cọc chữ X

1.6 Ý nghĩa của đề tài

- Với việc thực hiện các mục tiêu đã đề ra, đề tài mong muốn xây dựng một giải pháp tự động hóa cho việc hàn sản phẩm mũi cọc chữ X

- Giải phóng con người khỏi môi trường hàn độc hại, nâng cao năng suất cũng như chất lượng sản phẩm mũi cọc chữ X nhờ vào hệ thống cảm biến và robot hàn

- Giảm bớt yêu cầu định vị chính xác qua đó giảm chi phí hàn và giảm sự phụ thuộc chất lượng sản phẩm vào tay nghề người hàn

- Có thể ứng dụng cho các dây chuyền sản xuất các sản phẩm hàn tương tự

1.7 Đối tượng, phạm vi của đề tài Đối tượng nghiên cứu:

- Các loại bàn gá hàn để gá được bán thành phẩm mũi cọc chữ X - Các cảm biến, phương pháp và giải thuật để tìm thấy các đường hàn

- Giao tiếp giữa máy tính, robot và bàn gá để tự động hóa cho robot hàn hàn mũi cọc chữ X

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu bàn gá hàn để gá được bán thành phẩm mũi cọc chữ X

- Nghiên cứu các cảm biến, phương pháp và giải thuật để tìm thấy các đường hàn trên mũi cọc chữ X

- Nghiên cứu giao tiếp giữa máy tính, robot và bàn gá để tự động hóa cho robot hàn mũi cọc chữ X

1.8 Phương pháp nghiên cứu

- Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp kết hợp gữa lý thuyết - phân tích, tổng hợp các tài liệu đã có trên thế giới về hướng nghiên cứu của đề tài và thực nghiệm - nghiên cứu thử nghiệm trên mô hình thiết bị được chế tạo

- Các thiết kế bàn gá và hệ thống cảm biến của đề tài được thực hiên thông qua mô hình 3D và thực tế

- Dãy thuật tìm đường hàn được kiểm chứng bằng việc so sánh với phương pháp tìm đường hàn cổ điển chạm điểm

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

Hàn điểm và hàn đường theo vị trí hoặc quỹ đạo cho trước là công việc hàn rất thường hay được triển khai trong thực tế Khi đã có được vị trí hoặc quỹ đạo hàn, quá trình hàn sẽ được tiến hành một cách tự động để gia công hàng loạt sản phẩm Tuy nhiên, trước khi tiến hành quá trình hàn cần lưu ý việc định vị, lắp khít chi tiết cũng như kẹp chặt để hạn chế sai số do bị cong vênh hoặc sai lệch kích thước do nhiệt sinh ra trong quá trình hàn gây nên trên sản phẩm dạng tấm mỏng Ngoài ra, hàn là một công việc nặng nhọc, ô nhiễm cho người hàn và chất lượng mối hàn phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người hàn Nhiều năm qua, nhiều nghiên cứu cố gắng chế tạo ra những robot hàn tự động, thông minh có thể thay thế con người trong công đoạn này

Chương này trình bày quá trình lựa chọn giải quyết vấn đề thông qua tìm hiểu phân tích các nghiên cứu trước đây Lựa chọn phương pháp nhận diện đường hàn trên mũi cọc chữ X, các lựa chọn ở chương này sẽ là tiền đề để thực hiện các chương sau

2.1 Phân tích các phương pháp nhận dạng đường hàn

- Sử dụng cảm biến góc quay để nhận diện tọa độ của mối hàn góc Một số nghiên cứu đã sử dụng cảm biến góc quay để nhận diện tọa độ của mối hàn góc Trong các nghiên cứu này, hai con lăn được liên kết cứng bởi một tay đòn sẽ di chuyển trên mặt phẳng đứng, đóng vai trò như một biên dạng mẫu của mối hàn góc và quỹ đạo của mối hàn được nội suy từ góc quay của tay đòn và khoảng dịch chuyển của robot này

Hình 2.1 Một robot nhận diện đường hàn bằng cảm biến góc xoay [3]

- Xác định quỹ đạo mối hàn phẳng bằng cách tạo vết dẫn đường Tạo một đường dẫn có hình dạng và kích thước giống với đường hàn, đường dẫn có thể là dán một dải băng dính có màu sắc khác biệt, bề rộng b lên đường hàn, và robot hàn sẽ sử dụng cảm biến quang để nhận biết đường hàn Robot di động chạy trên đường ray, và đầu hàn sẽ đi theo đường hàn để thực hiện mối hàn.Tuy nhiên, phương pháp này có năng suất rất thấp, chỉ có thể áp dụng cho trường hợp sản xuất đơn chiếc do phải chuẩn bị đường dẫn bằng băng dính hoặc sơn; độ chính xác phụ thuộc rất nhiều vào miếng dán và hệ thống truyền động Do đó phương án này có tính khả thi thấp trong thực tiễn sản xuất hình 6 trong đó: 1 Đường hàn; 2 Thân chi tiết; 3 Robot hàn; 4 Đường ray; 5 Đường dẫn song song với đường hàn; 6 Nam châm vĩnh cửu; 7 Đầu hàn; 8 Tời; 9 Cảm biến quang; 10 Động cơ; 11 Vitme

Hình 2.2 Robot hàn dò theo vết [3]

- Lấy mẫu điểm trên đường hàn với công cụ lập trình Teach Pendant Teach Pendant là một dạng thiết bị hàn theo chế độ lập trình huấn luyện Trong đó, một mũi dò cơ khí được gắn vào tay người thao tác hàn lành nghề và cho di chuyển bằng tay dắt đầu hàn (lead-by-nose hoặc dùng keyboard) dọc theo mối hàn, và các tọa độ của mối hàn được ghi nhận thông qua các cảm biến Quá trình hàn sẽ được tiến hành sau khi quá trình lập trình huấn luyện kết thúc Tuy nhiên, phương pháp này vẫn phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người huấn luyện, và quá trình lập trình huấn luyện không thể tiến hành ở những nơi con người không thể thao tác được

Hình 2.3 Quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ [3]

- Phương pháp tìm ra đường hàn thẳng vuông góc 90 độ bằng cách chạm điểm và nội suy đường thẳng Đối với mối hàn vuông góc, đầu hàn sẽ chạm lần lượt 2 cạnh góc vuông để xác định tọa độ điểm góc Tương tự chạm 2 cạnh góc ở 1 vị trí khác ta sẽ có 2 điểm và nối chúng lại ta có được vị trí đường hàn Phương pháp này đơn giản, độ chính xác không cao, áp dụng các mối hàn dạng đường thẳng là chủ yếu

Hình 2.4 Quá trình chạm tìm đường hàn

- Nhận biết đường hàn dùng cảm biến đầu dò cơ khí Loại cảm biến này có chi phí thấp, dễ sử dụng Việc xác định quỹ đạo hàn dùng mũi dò cơ khí tương tự phương pháp chạm điểm là một hình thức chép hình cổ điển, có độ chính xác thấp, đầu dò dễ bị hư hỏng, mòn và quỹ đạo hàn bị ảnh hưởng mạnh bởi độ nhám của phôi hàn

- Nhận biết đường hàn dùng cảm biến đo khoảng cách Sử dụng cảm biến quang hoặc laser cho độ chính xác cao và có khả năng đo khoảng cách nên có thể áp dụng cho cả bề măt cong ba chiều, có cơ sở toán học đơn giản, tốc độ xử lý nhanh Tuy nhiên bị ảnh hưởng mạnh bởi hồ quang hàn Có ưu điểm của phương pháp dận diện không tiếp xúc, không bị mòn, các cảm biến sẽ bền hơn

Hình 2.5 Kết cấu một loại robot sử dụng cảm biến quang hoặc laser [3]

- Nhận biết đường hàn dùng camera chụp ảnh đường hàn Quỹ đạo hàn (dùng CCD camera): có độ chính xác thấp do tốc độ xử lý chậm do hình ảnh thu được bị ảnh hưởng rất mạnh bởi hồ quang hàn và ảnh này không cho vị trí thật của quỹ đạo mà phải được tính thông qua giải thuật xử lý ảnh Có ưu điểm của phương pháp nhận diện không tiếp xúc, không bị mòn, các cảm biến sẽ bền hơn Tuy nhiên không thích hợp cho các kim loại có độ phản xạ ánh sáng lớn như nhôm

Hình 2.6 Robot sử dụng phương pháp nhận biết đường hàn bằng camera [9]

- Nhận biết đường hàn dùng hệ thống thị giác laser (camera kết hợp laser) Các robot hiện đại có xu hướng sử dụng phương pháp này vì hệ thống thị giác laser cho kết quả ổn định chính xác, ít bị nhiễu do ánh sáng hồ quang mạnh Có ưu điểm của phương pháp nhận diện không tiếp xúc, không bị mòn, các cảm biến sẽ bền hơn Phù hợp cho các mối hàn chữ T, V và đường hàn chồng chất với 1 độ dày nhất định Tuy nhiên có

tốc độ xử lý chậm do hình ảnh thu được cần xử lý và ảnh này không cho vị trí thật của quỹ đạo mà phải được tính thông qua giải thuật xử lý ảnh

Hình 2.7 Hệ thống nhận diện đường hàn sử dụng camera kết hợp laser [7]

2.2 Nhận xét và đề xuất hướng giải quyết

Từ các phân tích từ mục trước tiến hành lập bảng đánh giá các phương án nhận diện đường hàn như bảng 2.1

Bảng 2.1 Bảng so sánh các phương pháp nhận diện đường hàn

Cảm biến góc xoay

Tạo vết dẫn đường

Lập trình bằng tay

Chạm điểm tiếp

xúc

Camera Camera laser

Cảm biến khoảng cách Mức độ phù hợp

Mức độ định vị phôi chính xác

- Vì sản phẩm mũi cọc chữ X có 4 mặt tương đồng nhau nên bàn gá sẽ được thiết kế quay được góc 90 độ để hệ thống cảm biến và robot thực hiện tìm đường hàn và hàn các đường hàn tại 4 mặt

- Nhận diện đường hàn cho mũi cọc chữ X bằng phương pháp sử dụng cảm biến đo khoảng cách kết hợp điều khiển góc đo của cảm biến

- Hệ thống cảm biến đo khoảng cách gồm 1 cảm biến laser đo khoảng cách và một động sẽ điều chỉnh góc đo của cảm biến Hệ thống bàn gá sử dụng 1 hệ thống cảm biến chuyển động song song theo đường hàn ngang để xác định vị trí đường hàn nằm ngang và một hệ thống cảm biến khác chuyển động song song đường hàn đứng để tìm đường hàn đứng ở 4 mặt của mũi cọc

- Chế độ hàn, các thông số hàn ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn là dòng điện hàn, điện áp hàn, tốc độ cấp dây Các thông số thao tác cũng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mối hàn như tốc độ duy chuyển khi hàn, góc súng hàn, khoảng cách súng hàn đến vật hàn, đường kính sợi hàn, lưu lượng khí hàn Chế độ hàn được định hướng nghiên cứu trong phần hướng phát triển của đề tài để hướng đến việc áp dụng nghiên cứu này ra thực tế sản xuất, đối với đề tài này sẽ không đi sâu vào chế độ hàn của mũi cọc mà tập trung vào giải thuật xác định quỹ đạo đường hàn

- Do mũi cọc chữ X áp dụng phương pháp hàn MAG nên trong quá trình hàn sẽ sản sinh ra nhiễu ánh sáng, nhiệt độ cao ảnh hưởng đến hoạt động, độ chính xác của các thiết bị điện cũng như cảm biến Đối với các chế độ hàn khác nhau thì mức độ nhiễu cũng khác nhau Do đó để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định học viên đề xuất hệ thống sẽ nhận diện và ghi nhớ quỹ đạo của cả 4 góc phần tư của mũi cọc chữ X rồi mới tiến hành truyền dữ liệu cho robot để thực hiện quá trình hàn

2.3 Kết cấu của hệ thống cảm biến tìm đường hàn

Đề xuất kết cấu sơ bộ của hệ thống cảm biến tìm đường hàn gồm có các thành phần như hình 2.10

Một bàn gá điều khiển bằng một động cơ xoay được theo từng góc 90 độ có nhiệm vụ gá cố định chi tiết mũi cọc trong quá trình tìm đường hàn

Hệ thống cảm biến tìm đường hàn ngang gồm một cảm biến đo khoảng cách được gắn vào một động cơ để điều chỉnh góc quét của cảm biến Cả 2 được đặt trên một bàn

trượt tịnh tiến dọc theo phương của đường hàn nằm ngang Một động cơ khác sẽ điều khiển vị trí tịnh tiến của bàn trượt (hình 2.8)

Tương tự như hệ thống tìm đường ngang, hệ thống cảm biến tìm đường hàn đứng cũng gồm có 1 cảm biến đo khoảng cách được gắn lên một động cơ điều chỉnh được góc quét của cảm biến Tuy nhiên khác với hệ ngang, cả 2 được đặt lên một bàn tịnh tiến khác có phương song song đường hàn đứng (Hình 2.9)

Hình 2.8 Nhận diện đường hàn nằm ngang

Hình 2.9 Nhận diện đường hàn đứng

Hình 2.10 Mô hình hoạt động bàn gá và hệ thống cảm biến

Hình 2.11 Sơ đồ khối của hệ thống

2.4 Cơ sở toán học của phương pháp

Vì các đường hàn trên mũi cọc chữ X là có dạng đường hàn vuông góc chữ T nên ta có thể áp dụng cơ sở toán học dựa trên lượng giác trong tam giác tham khảo [6] như sau:

Hình 2.12 Tính toán tìm điểm hàn trên mặt cắt vuông góc phương duy chuyển của cảm biến [6]

Hình 2.13 Điểm hàn tại các vị trí mặt cắt dọc đường hàn [6]

Đặt gốc tọa độ OXYZ tại vị trí tâm xoay của cảm biến có phương x dọc theo đường hàn và phương y vuông góc đường hàn như ảnh 16 trên Trong đó các điểm O1 (Xo1, Yo1, Zo1), O2 (Xo2, Yo2, Zo2) , O3 (Xo3, Yo3, Zo3) là tọa độ các điểm hàn tại 3 vị trí 1, 2 và 3 dọc theo đường hàn L là khoảng cách đo được từ cảm biến đến mũi cọc Góc 𝛼 là góc đo ban đầu của cảm biến hợp với phương ngang Góc 𝜃 là góc lấy mẫu của cảm biến H là cao độ điểm hàn so với đất, H0 là cao độ cảm biến so với đất S là khoảng dịch chuyển của cụm cảm biến dọc theo đường hàn

Gọi 𝛽 là góc quét của cảm biến và n là số lần lấy mẫu để quét được góc 𝛽 từ đây ta có => 𝛽 = 𝑛 𝜃 Trong quá trình quét, gọi lần lấy mẫu thứ k cảm biến đo được L là lớn nhất Lk=Lmax trong tập hợp (L1 Ln)

Gọi ∆𝑥 là khoảng dịch chuyển lấy mẫu của hệ cảm biến dọc theo đường hàn, thông qua hình 2.12 và hình 2.13, tại vị trí lấy mẫu thứ i ta dễ dàng tính được tọa độ điểm hàn theo công thức sau: