nghiên cứu thiết kế cảm biến hàn hồ quang quay ứng dụng trong việc dò đường hàn

Có rất nhiều phương pháp điều khiển robot hàn thực hiện tác vụ dò theo đường hàn tương ứng với nhiều loại cảm biến được sử dụng như: cảm biến đầu dò tiếp xúc, cảm biến tiếp xúc điện cực,

i

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM

SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO NGHIỆM THU

(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu)

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN HÀN HỒ QUANG

QUAY PHỤC VỤ DÒ ĐƯỜNG HÀN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 12/ 2012

ii

ĐỀ TÀI Hiện nay, công nghiệp hàn đòi hỏi lực lượng robot hàn hiện đại nhằm đạt được mối hàn có chất lượng và năng suất cao với giá thành hạ Khả năng dò đường hàn của robot hàn có vai trò rất quan trọng đến độ chính xác của robot hàn và cũng là yếu tố quyết định chất lượng của mối hàn Có rất nhiều phương pháp điều khiển robot hàn thực hiện tác vụ dò theo đường hàn tương ứng với nhiều loại cảm biến được sử dụng như: cảm biến đầu dò tiếp xúc, cảm biến tiếp xúc điện cực, cảm biến nhiệt độ, cảm biến hồ quang, cảm biến quang học, cảm biến siêu âm …

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

Có nhiều giải thuật điều khiển có thể áp dụng để điều chỉnh đầu hàn bám theo rãnh hàn áp dụng cảm biến hàn hồ quang quay như điều khiển mờ, điều khiển neural network, hệ điều khiển thích nghi, hệ lai giữa neural network và fuzzy….Đề tài này tập trung nghiên cứu áp dụng điều khiển fuzzy - PID vào bài toán bám đường hàn sử dụng cảm biến hồ quang quay

iii

1 TỔNG QUAN 0

1.1 KHÁI NIỆM 0

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

1.1.2 Các loại cảm biến hàn 2

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI 7

2 9

2.1 9

2.1.1 9

2.1.2 11

2.2 12

3 MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 13

3.1 13

3.2 16

3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 18

3.3.1 Xác định độ lệch cường độ dòng và hướng lệch của đầu hàn 18

3.3.2 Giải thuật điều khiển 21

3.3.3 Mô phỏng quá trình hàn dùng bộ điều khiển mờ 26

4 30

4.1 30

4.2 CẢM BIẾN ĐO DÒNG VÀ NGUỒN ĐIỆN HÀN 30

4.2.1 Cảm biến Hall 30

4.2.2 Máy hàn 32

iv

4.3 32

4.4 35

4.4.1 Kiểm nghiệm độ bền trục dọc 36

4.4.2 Kiểm nghiệm độ bền trục ngang 38

4.5 CƠ CẤU GÁ KẸP PHÔI HÀN 40

4.6 TỔNG THỂ MÔ HÌNH CƠ KHÍ 41

4.7 42

4.7.1 Khối mạch nguồn 48

4.7.2 Khối driver điều khiển động cơ 50

4.7.3 Khối giao tiếp với máy tính 51

4.7.4 Khối đọc tín hiệu cường độ dòng điện hàn 52

4.7.5 Mạch điện thực tế sau cùng 53

5 54

5.1 MỘT SỐ NGUYÊN TẮC LẤY MẪU 54

5.1.1 Định lý lấy mẫu 54

5.2 PHƯƠNG PHÁP LỌC DÙNG CHUYỂN ĐỔI FOURIER 57

5.2.1 57

5.2.2 57

5.2.3 58

5.2.4 ỨNG DỤNG LỌC FFT VÀO XỬ LÝ TÍN HIỆU HÀN 59

6 62

6.1 CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH 62

6.2 CÁC CHƯƠNG TRÌNH CON 62

6.3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC HÀN (PID VẬN TỐC) 66

v

7 70

7.1 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC33F256MC710 70

7.2 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN TMS320F28335 72

7.3 SAI SỐ MỐI HÀN 76

7.3.1 PHƯƠNG PHÁP ĐO SAI SỐ MỐI HÀN 77

7.3.2 KẾT QUẢ ĐO RÃNH 1 77

7.3.3 KẾT QUẢ ĐO RÃNH 2 81

7.3.4 ĐƯỜNG HÀN THỨ BA 84

7.3.5 ĐƯỜNG HÀN THỨ TƯ 87

7.4 KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH MỐI HÀN 90

7.4.1 MẪU 1 90

7.4.2 MẪU 2 91

7.4.3 MẪU 3 92

7.4.4 MẪU 4 93

7.4.5 MẪU 5 94

8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

PHỤ LỤC 97

98

vi

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

chảy; (6):Vết hàn; (7): Phôi hàn 1

- 4

Hình 1-3 Cảm biế 4

Hình 1-4 Cảm biến lazer quang học 5

Hình 1-5 Cảm biến siêu âm 6

Hình 1-6 Nguyên lý cảm biến hồ quang 6

Hình 2-1 Mối quan hệ giữa cường độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ quang 9 Hình 2-2 Mô hình lý thuyết hàn và dòng điện hàn.(a):Mô hình hàn; (b):Độ lệch đầu hàn; (c):Cường độ dòng điện mô phỏng quá trình hàn 11

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

Hình 3-1 Mô hình toán học tương đương quá trình hàn MIG/MAG 13

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

Hình 3-3 16

Hình 3-4 - ) 17

Hình 3-5 17

Hình 3-6 Nguyên tắc xác định hướng lệch đầu hàn 20

Hình 3-7 Tổng quan mô hình bộ điều khiển dùng Fuzzy 22

Hình 3-8 Hàm liên thuộc của đầu vào ei 23

Hình 3-9 Hàm liên thuộc của đầu vào dei 23

vii

Hình 3-10 Hàm liên thuộc của đầu ra distance 24

- 27

Hì - 28

- 28

- (s – mm/s) 29

- (s – mm) 29

Hình 4-1Cảm biến Hall đo dòng điện hàn 31

Hình 4-2 Mô hình tổng thể cơ cấu quay đầu hàn 32

Hình 4-3 Kết cấu truyền động cơ cấu quay đầu hàn 34

Hình 4-4 Mô hình tổng quan bàn máy 2D 35

Hình 4-5 Cơ cấu kẹp phôi 41

Hình 4-6 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi thẳng 41

Hình 4-7 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi cong 42

Hình 4-8 Tổng quan mô hình điều khiển 44

Hình 4-9 Mạch điều khiển trung tâm 44

Hình 4-10 Mạch Slave điều khiển động cơ 45

Hình 4-11 Sơ đồ khối chức năng của TMS320F28335 47

Hình 4-12 Sơ đồ khối hoạt động của mạch điện dùng TMS320F28335 48

Hình 4-13 Khối ổn áp nguồn logic 49

Hình 4-14 Khối nguồn cho lõi TMS320F28335 50

Hình 4-15 Khối Driver điều khiển động cơ dùng LMD18201 50

Hình 4-16 Khối truyền thông nối tiếp với máy tính dùng PL2303HX 51

Hình 4-17 Mạch nối nguồn cho Hall sensor và bộ lọc thông thấp (Theo SLOA024B-Texas Instrument-9/2002) 52

viii

Hình 4-18 Mạch điều khiển và Mạch nạp 53

Hình 4-19 Mạch driver điều khiển động cơ 53

Hình 5-1 Bộ lấy mẫu lý tưởng 54

Hình 5-2 Phổ bị lặp do lấy mẫu 55

Hình 5-3 Bộ tiền lọc chống chồng lấn phổ - Lọc thông thấp 56

Hình 5-4 Bộ tiền lọc chống chồng lấn phổ thực tế 56

Hình 5-5 Lọc FFT 128 điểm tìm độ lệch cường độ dòng điện 61

Hình 6-1 Giải thuật điều khiển cho chương trình chính 62

Hình 6-2 Chương trình con đọc ADC 63

Hình 6-3 Chương trình tìm các cực trị 63

Hình 6-4 Chương trình tìm cực đại 64

Hình 6-5 Chương trình tìm cực tiểu 64

Hình 6-6 Giải thuật điều khiển chính 65

Hình 6-7 Giải thuật tính toán bộ điều khiển fuzzy 66

Hình 6-8 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 67

Hình 6-9 Lưu đồ giải thuật bộ điều khiển PID 69

Hình 7-1 Cường độ dòng điện hàn thu được từ vi điều khiển 70

Hình 7-2 Cường độ dòng hàn (phóng to) 71

Hình 7-3 Cường độ dòng hàn sau khi lọc FFT 71

Hình 7-4 Cường độ dòng sau lọc (phóng to) 72

Hình 7-5 Toàn bộ tín hiệu cường độ dòng hàn trong 25s 72

Hình 7-6 Cường độ dòng hàn (phóng to ở đoạn đầu) 73

Hình 7-7 Một đoạn tín hiệu cường độ dòng điện có 2 cực trị 73

Hình 7-8 Một đoạn tín hiệu cường độ dòng điện có 4 cực trị 74

ix

Hình 7-9 Mô hình cơ khí hệ thống hàn thực nghiệm 75

Hình 7-10 Kết quả hàn thực nghiệm 76

Hình 7-11 Mối hàn và cách đo sai lệch tâm quay đầu hàn so với tâm rãnh hàn 77 Hình 7-12 Đường Cong Gốc 79

Hình 7-13 Đồ thị Mối hàn và Đường Tham Chiếu 80

Hình 7-14 Đồ thị sai số Đường hàn thứ nhất 80

Hình 7-15 Đồ thị Mối hàn và Đường Tham Chiếu 83

Hình 7-16 Đồ thị sai số Đường hàn thứ hai 84

Hình 7-17 Đồ thị Mối hàn và Đường Tham Chiếu 86

Hình 7-18 Đồ thị sai số Đường hàn thứ ba 87

Hình 7-19 Đồ thị Mối hàn và Đường Tham Chiếu 89

Hình 7-20 Đồ thị sai số Đường hàn thứ tư 89

Hình 7-21 Ảnh mẫu sau khi tẩm thực 90

Hình 7-22 Ảnh tế vi tại mối hàn 90

Hình 7-23 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 91

Hình 7-24 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 91

Hình 7-25 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 92

Hình 7-26 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 92

Hình 7-27 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 93

Hình 7-28 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 93

Hình 7-29 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 94

Hình 7-30 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 94

x

Bả - 2

Bảng 3-1 Các luật suy diễn mờ 25

Bảng 4-1Thông số cảm biến Hall 31

Bảng 4-2 Thông số đặc tính cơ cấu quay đầu hàn 33

Bảng 4-3 Thông số thiết kế bàn máy 35

Bảng 4-4 Các thông số thiết kế cơ cấu gá kẹp phôi hàn 40

Bảng 4-5 Các thống số mô hình cơ khí hoàn chỉnh 42

Nguồn khác

I Kinh phí đƣợc cấp trong năm 200,000 200,000

II Kinh phí quyết toán trong năm 200,000 200,000

o Nguyên, nhiên, vật liệu, dụng cụ,

phụ tùng, văn phòng phẩm

75,300 75,300

o Thiết bị

o Xét duyệt, giám định, nghiệm thu 4,770 4,770

o Hội nghị, hội thảo

o Đánh máy tài liệu

o Giao thông liên lạc

III Tiết kiệm 5%

IV Kinh phí chuyển sang năm sau

Tổ chức chủ trì thực hiện đề tài: Trường Đại học Bách Khoa TpHCM

Chủ nhiệm đề tài:Nguyễn Tấn Tiến

Thời gian thực hiện: 12 tháng từ 12/2010 đến 12/2011

Tổng kinh phí thực hiện: 320 triệu đồng

Kinh phí hỗ trợ từ NSNN: 320 triệu đồng

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

o Nghiên cứu thiết kế cảm biến hàn hồ quang quay để ứng dụng trong việc

dò đường hàn đối với phương pháp tự động hóa hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ

o Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống hàn thực nghiệm ứng dụng cảm biến hàn hồ quang quay

o Nghiên cứu đề xuất giải thuật xử lý tín hiệu và giải thuật điều khiển đầu hàn dò theo đường hàn

o Thực nghiệm kiểm chứng tính khả thi của cảm biến và giải thuật điều khiển

xiii

o Khoảng dịch chuyển dọc của mô hình thực nghiệm phải đạt được 1000mm

o Khoảng dịch chuyển ngang của mô hình phải được 150mm

o Độ chính xác dò đường hàn nhỏ hơn ±0.5mm

NỘI DUNG CÔNG VIỆC THỰC HIỆN

o Thu thập tài liệu và nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về lĩnh vực nghiên cứu

o

o

Thực nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống hàn tự động

o

o Thực nghiệm hàn, thu thập các số liệu trong quá trình hàn Xử lý tín hiệu, đánh giá

và đề xuất phương án xử lý tín hiệu So sánh kết quả thưc nghiệm với kết quả mô phỏng Đánh giá và hiệu chỉnh thiết kế

Hàn được dùng rất rộng rãi trong mọi ngành sản xuất bởi các đặc điểm: chính xác, tin cậy và hiệu quả (kinh tế) Trong một số ngành công nghiệp, ví dụ ngành đóng tàu thủy, công việc hàn chiếm tỉ trọng rất lớn.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 Do đó chất lượng mối hàn phụ thuộc vào trình

độ tay nghề và sức khỏe của công nhân rất nhiều Đến nay, nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề ứng dụng robot hàn thay cho người công nhân đã được thực hiện nhằm:

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

o Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân

o Tăng năng suất

o Nâng cao chất lượng mối hàn

o Giảm giá thành

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

1

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

Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn được cung cấp bởi hồ quang được tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn; hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi tác dụng của oxy và nitơ trong môi trường xung quanh bởi một loại khí hoặc hỗn hợp khí

Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ được như Hình 1.1

Hình 1-1Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo v (1):Hướng hàn; (2):Đầu hàn; (3):Điện cực; (4):Khí bảo vệ; (5):Kim loại hàn nóng chảy; (6):Vết hàn; (7):

Phôi hàn

1.1.1.1 Ưu điểm

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

hồ quang bằng que hàn có thuốc bọc do đó có thể thực hiện được các mối hàn dài

mà không cần dừng lại để gây hồ quang

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

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

o Có thể tạo được mối hàn với độ thâm nhập sâu hơn so với hàn hồ quang bằng que

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

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

1.1.2 Các loại cảm biến hàn

Bài toán tự động hóa hàn bao gồm 2 vấn đề quan trọng là cảm biến và điều khiển.Việc chọn lựa cảm biến sẽ quyết định bài toán điều khiển.Tất nhiên điều này ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của cả quá trình hàn

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

o Kích thước nhỏ gọn, không làm gián đoạn quá trình hàn

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

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

o Tính chống nhiễu trong môi trường công nghiệp cao

photothermometers, infrared thermometers

Cảm biến hồ quang (arc

phenomena)

welding current arc voltage, wire feed speed, number of shots, number of peak current anomalies

Cảm biến quang học (optics) point sensors (phototransistors, photodiodes),

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

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

detector probes

1.1.2.1 Cảm biến tiếp xúc

Cảm biến tiếp xúc là một loại cảm biến cho ra khoảng cách từ đầu dò đến rãnh

hàn dưới dạng tín hiệu điện Đầu dò có thể có một bậc tự do (Hình 1-2Error! Reference source not found.a) hoặc hai bậc tự do (Hình 1-2Error! Reference source not found.b)

Hình 1-3Cảm biến

5

1.1.2.3 Cảm biến quang

Hình 1-4là một ví dụ điển hình cảm biến laser , đây là một hệ thống cảm biến

mà ánh sáng từ diode lazer bán dẫn được quét xuyên qua bề mặt của mối nối Ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi đầu kiểm tra vị trí (PSD) để xác định chiều cao của cảm biến từ bề mặt, từ đó tính toán góc mối nối, chiều dày bề mặt khe hở rãnh hàn, diện tích mặt cắt ngang của rãnh hàn, và vị trí trung tâm của rãnh hàn Khi quét toàn

bộ mối hàn chiều cao của xỉ hàn và biên dạng mối hàn có thể được xác định

Hình 1-4Cảm biến lazer quang học

1.1.2.4 Cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm nhưHình 1-5có khả năng đo lường khoảng cách giữa cảm biến với nền vật liệu kim loại thông qua việc xác định khoảng thời gian từ thời điểm xung được phát ra đến thời điểm xung phản xạ được thu hồi Cảm biến này có thể kiểm tra được vị trí của rãnh hàn cũng như dò lần theo đường hàn nhờ sự dao động của

bộ phận này

6

Hình 1-5Cảm biến siêu âm

1.1.2.5 Cảm biến dựa vào hiện tượng hồ quang

Đây là loại cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi cường độ dòng điện liên quan mật thiết với sự thay đổi chiều cao của cột hồ quang nhưHình 1-6

Cảm biến hồ quang giải phóng được việc phải sử dụng thiết bị xung quanh đầu hàn Nó có thể kiểm tra vị trí rãnh hàn một cách trực tiếp hay cung cấp thông tin vị trí

bề mặt của vũng hàn tan chảy dưới hồ quang trong hầu hết thời gian thực

Hình 1-6Nguyên lý cảm biến hồ quang

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

7

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

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI

Trên thế giới, rất nhiều nghiên cứu về cảm biên hàn hồ quang quay đã được thực hiện và đăng trên các tạp chí khoa học chuyên ngành Một số nghiên cứu gần đây

có thể được liệt kê như các mục [2]÷[7] trong tài liệu tham khảo Trong đề tài Tiến sỹ của mình, W.S Yoo[2] đã nghiên cứu ứng dụng các kết quả của C.H Kim[5] và S.J

Na, [6] về hàn hồ quang quay vào hàn tự động đường hàn 3D trong công nghệ đóng tàu Nhóm nghiên cứu của Y.B Jeon, S.K Jeong và cộng sự[3], [4] nghiên cứu thiết

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

Trong nước, cho đến thời điểm hiện tại vẫn chưa tìm thấy thông tin nào về các nghiên cứu liên quan đến việc thiết kế chế tạo cảm biến hàn hồ quang quay Một số nghiên cứu trong nước liên quan đến tự động hóa quá trình hàn ứng dụng trong sản xuất có thể được liệt kê như [8]÷[18] trong tài liêu tham khảo Các nghiên cứu trên tạm chia ra các nhóm:

Tài liệu [16] và [17] mang tính khảo sát tổng quan về robot hàn

Các nghiên cứu [14] và [18] tập trung vào việc điều khiển robot hàn theo quỹ đạo đường hàn biết trước Các loại robot kể trên có dạng cánh tay mang đầu hàn di chuyển theo quĩ đạo được dạy trước hoặc biết trước tọa độ đường cần hàn Phạm vi hàn còn giới hạn vì cánh tay không vươn xa được, nên robot dạng này chỉ thích hợp trong việc hàn theo mẫu và trong sản xuất hàng loạt

Các nghiên cứu [8]÷[13] tập trung vào điều khiển robot hàn di động với cảm biến tiếp xúc đơn giản Mặc dù đã ứng dụng thành công trong điều kiện trong phòng thí nghiệm và tại xưởng đóng tàu của Công ty đóng tàu Sài gòn, kết quả nghiên cứu này chỉ áp dụng cho dạng đường hàn thẳng hay đường thẳng có độ sai lệch trong phạm

vi nhất định Trong trường hợp hàn đường cong 2D trong mặt phẳng, cảm biến tiếp xúc đã được sử dụng với kết quả rất tốt Tuy nhiên, để có thể áp dụng rộng rãi trong

8 sản xuất, nhu cầu về việc thiết kế một loại cảm biến có giá thành hạ, độ tin cậy cao, có kích thước nhỏ gọn, vấn đề bảo trì đơn giản, … là cấp thiết

9

2

2.1

2.1.1

Nguyên lý cảm biến hồ quang

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

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

hệ giữa chúng, khi đầu hàn di chuyển từ vị trí 1 đến các vị trí 2-3, khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn càng lúc được thu ngắn, cường độ dòng điện hàn cũng vì vậy mà tăng lên như đồ thị hình bên trái Ngược lại, khi đầu hàn đi từ vị trí 3 về vị trí 4-5-1 thì cường độ dòng điện hàn cũng giảm theo Tuy nhiên, do có sự khác biệt chiều di chuyển đầu hàn, hay nói cách khác do ảnh hưởng của tốc độ cháy dây điện cực dương, dẫn đến khi đầu hàn đi từ 3 đến 4 chiều cao cột hồ quang tăng đột ngột, cường độ dòngđiện hàn giảm đột ngột, khi đi từ 4 đến 5-1, chiều cao cột hồ quang giảm dần và cường độ dòng điện hàn tăng dần để đạt tới một trạng thái cân bằng ổn định giữa chúng trong quá trình hàn hồ quang trên mặt phẳng

10

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

Nguyên lý cảm biến hàn hồ quang quay

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

Cảm biến hàn hồ quang quay cũng dựa trên nguyên tắc của cảm biến hồ quang, nhưng đầu hàn được quay tròn với một vận tốc cố định Đầu hàn thay vì vừa được di chuyển dọc đường hàn vừa được lắc khi hàn thì trong hệ thống hàn với cảm biến hồ quang quay, đầu hàn vừa được quay tròn với một vận tốc cố định,vừa được di chuyển dọc rãnh hàn chữ V như Hình 2-2a Khi đầu hàn quay, cường độ dòng điện hàn cũng thay đổi theo chu kỳ 2π

Trường hợp tâm quay của đầu hàn nằm trên đường tâm rãnh hàn chữ V, vì bán kính quay đầu hàn cố định nên trong cùng chu kỳ quay, khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn bên phải và bên trái là bằng nhau dẫn đến cường độ dòng điện hàn ở nửa chu

kỳ trái (khi đầu hàn ở nửa bên trái rãnh hàn) và nửa chu kỳ phải (khi đầu hàn ở nửa bên phải rãnh hàn) bằng nhau Cường độ dòng điện hàn trong trường hợp này được mô

tả như đường nét liền trên Hình 2-2c, cực trái (L-left) và cực phải (R-right) bằng nhau

Ở đây có sự khác biệt cường độ dòng hàn ở phía trước (Cf-Center front) và phía sau (Cr-Center rear), đó là do khi đầu hàn qua cực điểm phía sau, kim loại hàn chảy ra đã bồi lên kim loại hàn của chu kỳ trước đó Đây cũng là đặc điểm nhận dạng phía trước

và phía sau, vì vậy khi quay đầu hàn theo một chiều cố định, ta luôn xác định được cực trái, phải, trước và sau của một chu kỳ tín hiệu

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

11

trái(L) Từ độ lệch cường độ dòng điện hàn này ta sẽ điều khiển vị trí đầu hàn trong rãnh hàn để bù trừ độ lệch vị trí đầu hàn cho đến khi độ lệch cường độ về không thì đầu hàn cũng được đưa về giữa rãnh hàn

Tip gap ed b)

Hình 2-2Mô hình lý thuyết hàn và dòng điện hàn.(a):Mô hình hàn; (b):Độ lệch đầu hàn;

(c):Cường độ dòng điện mô phỏng quá trình hàn 2.1.2

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

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

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

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

o Giám sát quá trình hàn (welding monitoring)

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

quyết toán thứ nhất: dò đường hàn trong rãnh hàn chữ V

12

Nghiên cứu này chỉ tập trung cho đường hàn trong mặt phẳng Kết quả này sẽ là

cơ sở cho việc phát triển bài toán dò đường hàn 3D có ứng dụng rất nhiều trong thực tế công nghiệp

2.2

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

được công bố của nước ngoài, chú ý khả năng triển khai sử dụng trong môi trường cũng như điều kiện trong nước để đi đến phương án thiết kế thích hợp và khả thi nhất như dễ

sử dụng, bảo trì, thay thế khi cần thiết, giá thành hợp lý

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

Thu p i u nghiên u ơ t liên quan n i

Hình 3-1Mô hình toán học tương đương quá trình hàn MIG/MAG

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

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

a

al ai

V V R I L

Các đại lượng trên đều dương Nếu các giá trị khác xem là hằng số thì chiều dài

hồ quang la tăng khi cường độ dòng hồ quang I giảm và ngược lại

14

ωt

ω

La Lt0

e

La Lt0

(a): Khi đầu hàn không lệch (b):Khi đầu hàn lệch khoảng e

Hình 3-2Mô hình tính chiều dài hồ quang

Khi không xét hình dạng mối hàn(vũng hàn) Tần số quay đầu hàn là f, bán kính quay là r và t là thời gian.Khi đó khoảng cách từ điểm tiếp cận đến chi tiết hàn được tính bởi: (Hình 3-2)

ft tg

r L

Và chiều dài hồ quang trong rãnh hàn chữ V được tính bằng công thức:

sin)

2sin

tg

ft r

L

Khi có lệch một khoảng e so với đường phân giác (Hình 3-2b)

sin)2

sin.(

2sin

0 0

et t

a

t t

L tg

e

f t r

L L

tg

e

f t r

L L

(4)

Halmoy đã phát triển mô hình tan chảy dây điện với điện áp rơi trên điện cực nối dài như sau:

15

e e

V

Trong đó:

o a: Hằng số điện trở suất ở nhiệt độ cao của dây điện cực nối dài

o b: Hằng số phụ thuộc nhiệt độ phòng của điện trở suất dây điện cực nối dài

o Le: Chiều dài dây điện cực nối dài

o w: Tốc độ phóng dây

o I: Cường độ dòng điện hàn

o S: Tiết diện mặt cắt ngang của dây điện cực

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

2

I

bwS S

aL I

1 B L w I

AI w

ai al

p s

e a b s

p s

a

L L

I E E I L

L

R R R R L L

V V dt

16

a p s

ai al

P S p

s

e a

b s

p s

a

L L

I E E I L L

bSw I

L L

s

aL R

R R L L

V V dt

dI

)(

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

Dựa vào tính liên tục của đồ thị hàm số sau khi đã được “làm trơn”,ta có thể xác định 4 điểm cực trị này Khi có đủ 2n mẫu dữ liệu trong một chu kỳ, ta xét hai phần tử đầu, nếu đồ thị đang tăng, ta kiểm tra đồ thị dữ liệu đến khi nó giảm thì ta sẽ xác định cực đại, sau đó ta kiểm tra đồ thị đến khi nó tăng thì sẽ xác định được cực tiểu, lặp lại cho đến khi hết số mẫu;Nếu đồ thị đang giảm ta lại xác định cực tiểu trước

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

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

o Nếu tìm được cực tiểu đầu tiên ta gán nó là min1sau đó là max2 rồi đến min2 và cuối cùng mới là max1 (min1 max2 min2 max1)

Khi đó có 4 trường hợp xảy ra:

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

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

19

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

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

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

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

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

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

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

âm là đầu hàn lệch phải

21

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

3.3.2 Giải thuật điều khiển

Có rất nhiều giải thuật điều khiển có thể điều chỉnh vị trí của đầu hàn về đúng tâm của rãnh hàn khi đã biết hướng lệch của đầu hàn và độ lệch cường độ dòng điện bên trái và bên phải tâm rãnh hàn, nhưng ở đây chúng tôi lựa chọn giải thuật điều khiển mờ để điều khiển vị trí đầu hàn vì những lý do sau đây:

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

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

3.3.2.1 Đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển mờ

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

Để nâng cao chất lượng bộ điều khiển ta thêm vào đầu vào thứ hai chính là tốc

độ thay đổi của sai lệch cường độ dòng điện hàn ở trên

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

22

Tương tự tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ cũng nằm trong khoảng [-1;1] và liên hệ với hệ số điều rộng xung PWM cấp cho động cơ bằng một hệ số tỷ lệ được xác định trong thực nghiệm

3.3.2.2 Mô hình tổng quan bộ điểu khiển mờ

Kei

Mờ hóa

Luật hợp thành

Luật mờ

vị trí đầu hàn

Cảm biến Hall ADC

Lọc nhiễu

Đầu hàn

Vị trí

Dòng điện hàn

Điện áp tương tự

Tín hiệu số

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

Cảm biến Hall đo cường độ dòng điện hàn trong dây dẫn và xuất ra giá trị điện

áp tuơng tự một chiều, điện áp này sẽ được lọc thông thấp bằng phần cứng, sau đó vi điều khiển sẽ lấy mẫu và chuyển đổi thành tín hiệu số Tín hiệu này sẽ được làm mượt bằng bộ lọc mềm (FIR hoặc FFT) Tín hiệu ra của bộ lọc sẽ được dùng để tính toán độ

lệch cường độ dòng điện ei = max1 – max2 hoặc ei = max2 – max1 (theo3.3.1), hiệu

số này sau khi lấy tỷ lệ nhỏ lại để ei thuộc khoảng [-1; 1] chính là đầu vào thứ nhất của

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

điều khiển động cơ

23

3.3.2.3 Các hàm liên thuộc và biến ngôn ngữ

Các hàm liên thuộc cho đầu vào và đầu ra đều được chọn là hàm tam giác

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

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

Hình 3-8Hàm liên thuộc của đầu vào ei

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

3-9 bởi các hàm liên thuộc tam giác cân đặc trưng cho các biến ngôn ngữ: NB: negative big, NS: negative small, ZE: zero, PS: positive small, PB: positive big

Hình 3-9Hàm liên thuộc của đầu vào dei

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

24

Hình 3-10Hàm liên thuộc của đầu ra distance

3.3.2.4 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ

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

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

Giả sử dei đang có giá trị âm, tức là sai số ei hiện tại đang nhỏ hơn sai số ei quá khứ.Nếu lúc đó ei đang dương (lệch trái) thì có nghĩa đầu hàn đang chuyển động về phải (để ei giảm), lúc đó cần giảm giá trị âm của đầu ra distance so với khi không xét đến dei.Còn nếu lúc đó ei đang âm (lệch phải) thì có nghĩa đầu hàn đang chuyển động

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

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

3.3.2.5 Các luật mờ cơ sở

Dựa vào các nguyên tắc ở phần trên ta thiết lập các luật suy diễn mờ dựa trên các biến ngôn ngữ.Đầu vào ei có 7 biến ngôn ngữ, đầu vào dei có 5 biến ngôn ngữ,

25

vậy ta cần thiết lập 7 x 5 = 35 luật để mô tả tất cả hệ thống.Đầu ra distance có 7 biến ngôn ngữ nên sẽ có những luật có cùng hệ quả đầu ra Các luật được thiết lập cụ thể như sau:

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

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

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

o ……

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

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

Bảng 3-1 Các luật suy diễn mờ

o Phép AND thay bằng hàm MIN

o Luật hợp thành được sử dụng là MAX – PRODUCT

o Phương pháp giải mờ CENTER OF GRAVITY

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

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

o z k [ 1;1]: khoảng giá trị đầu ra

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

R k k

z z z