Thiết kế robot hàn di động để hàn đường hàn phẳng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Số: _/BKĐT NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Khoa: CƠ KHÍ Bộ môn: CƠ ĐIỆN TỬ (Chú ý: sinh viên phải dán tờ vào trang thứ thuyết minh) HỌ VÀ TÊN: PHẠM DUY QUÂN MSSV: 20502275 NGÀNH: Cơ điện tử LỚP: CK05-LCD2 Đầu đề luận văn Thiết kế robot hàn di động để hàn đường hàn phẳng Số liệu: - Áp dụng cho mối hàn góc Nhiệm vụ - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Thiết lập mô hình động học cho robot hàn di động - Chương 3: Xây dựng điều khiển - Định nghĩa sai số hàn - Xây dựng điều khiển - Chương 4: Mô máy tính Kết luận - Số vẽ dự kiến: 2A0 , dự kiến vẽ gồm: + vẽ A0, về: Kết cấu robot hàn di động Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 28/09/2009 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 08/01/2010 Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn: TS Phan Tấn Tùng , BM Cơ điện tử, Khoa Cơ khí 100% Nội dung yêu cầu LVTN thông qua Bộ môn Ngày 28 tháng 09 năm 2009 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký ghi rõ họ tên) NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký ghi rõ họ tên) PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Ts Phan Tấn Tùng PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận án: TỜ CAM KẾT Luận văn thực hiện, luận văn nội dung chép từ tài liệu khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng năm 2010 Phạm Duy Quân i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em nhận nhiều giúp đỡ, dẫn thầy cô, động viên bạn Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc thầy TS Phan Tấn Tùng, người thầy giúp đỡ em nhiều trình thực luận văn, thầy cung cấp tài liệu, trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ em vượt qua gút mắc, khó khăn trình thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy cô trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, thầy cô khoa Cơ khí, suốt năm học qua truyền đạt cho em kiến thức chuyên môn, kinh nghiệm thực tế quý báu để em có đủ kiến thức để thực đề tài nghiên cứu đề tài khác tương lai Sau cùng, em xin cảm ơn Quý thầy cô phản biện Quý thầy cô hội đồng chấm luận văn dành thời gian quý báu để nhận xét giúp em bảo vệ thành công luận án Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng năm 2010 Phạm Duy Quân ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Mobile robot lĩnh vực nghiên cứu mẻ Tuy nhiên lợi ích phạm vi ứng dụng lớn Ta tìm thấy mobile robot lĩnh vực công nghiệp, môi trường, an ninh, khảo sát khoa học, quân sự,… Ngoài mobile robot thương mại hoá cho mục đích giải trí, thực chức đặc biệt lau chùi sàn nhà, cắt cỏ, gặt lúa,… Hầu hết trường đại học lĩnh vực kỹ thuật có chuyên ngành, dự án mobile robot cho sinh viên Mobile robot cảm hứng nơi để sinh viên vận dụng kiến thức, hiểu biết kỹ thuật, điều khiển cho sản phẩm cụ thể Trong đề tài này, em thiết kế robot hàn di động theo đường hàn sử dụng điều khiển Lyapunov Thiết kế khí cho thân xe, thân xe có mang cánh tay máy kẹp đầu hàn Sau thiết kế chọn lựa cảm biến giúp nhận diện đường hàn cho robot Thiết kế mạch điện điều khiển đọc cảm biến Cuối đưa giải thuật lập trình điều khiển cấu tác động robot Ứng dụng đề tài phục vụ ngành công nghiệp đóng tàu Trong công nghiệp đóng tàu, hàn đặc biệt chiếm tỉ trọng lớn công việc Chính để nâng cao suất, tính ổn định, chất lượng mối hàn, giải phóng công nhân khỏi môi trường làm việc độc hại thiết phải tự động cho trình hàn Kết cấu robot đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp, hầu hết phận sản xuất tự thiết kế, hoàn toàn phù hợp với điều kiện sản xuất nước iii MỤC LỤC TỜ CAM KẾT i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ viii DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Phương pháp hàn sử dụng luận văn 1.1.1 Khái niệm hàn hồ quang môi trường khí bảo vệ 1.1.2 Ưu điểm khuyết điểm trình hàn với khí bảo vệ 1.1.3 Phạm vi ứng dụng 1.2 Các nghiên cứu robot hàn di động 1.2.1 Robot hàn di động kết hợp với tay máy 1.2.2 Robot hàn góc vuông dùng camera xử lý ảnh 1.2.3 Một số hình ảnh loại robot hàn di động khác 1.3 Nhiệm vụ luận văn CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG 10 2.1 Bài toán robot với cánh tay tịnh tiến 10 2.1.1 Mô hình tính toán robot 10 2.1.2 Bài toán động học thuận robot 11 2.1.3 Bài toán nghịch vận tốc 12 2.2 Bài toán robot có ba khớp quay 13 2.2.1 Mô hình tính toán robot 13 2.2.2 Bài toán động học thuận robot 14 iv CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 17 3.1 Giải toán robot có cánh tay tịnh tiến 17 3.1.1 Định nghĩa sai số giá trị liên quan 17 3.1.2 Hiệu chỉnh giá trị vận tốc robot 18 3.2 Giải toán cánh tay robot có ba khớp quay 19 3.2.1 Định nghĩa sai số giá trị liên quan 19 3.2.2 Hiệu chỉnh vận tốc góc tay máy 21 3.2.3 Hiệu chỉnh vận tốc vận tốc góc platform 21 3.3 Giải toán hàn góc vuông 23 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH 25 4.1 Mô trình hàn đường cong trơn 25 4.1.1 Các số liệu ban đầu cho toán mô 25 4.1.2 Yêu cầu kết mô robot 25 4.1.3 Tổng kết kết mô hàn đường cong trơn 35 4.2 Mô trình hàn góc vuông 36 4.2.1 Các số liệu ban đầu cho toán mô 36 4.2.2 Kết mô robot 37 4.2.3 Tổng kết kết mô hàn góc vuông 44 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ CƠ KHÍ 45 5.1 Thiết kế module cảm biến 45 5.1.1 Nguyên lý đo sai số e1, e2, e3 45 5.1.2 Đo sai số e4, e5, e6 46 5.1.3 Cấu tạo cảm biến 47 5.1.4 Encoder đo góc khâu 47 5.1.5 Cảm biến siêu âm đo khoảng cách 48 5.1.6 Cảm biến phát đầu hàn tới góc vuông 50 v 5.2 Thiết kế mạch điện điều khiển 50 5.2.1 Tổng quát mạch điều khiển 50 5.2.2 Giới thiệu vi điều khiển PIC18F4431 52 5.2.3 Giới thiệu chip LMD18200 54 5.2.4 Mạch logic 56 5.2.5 Mạch kích MOSFET 57 5.2.6 Mạch cầu H 58 5.2.7 Mạch nạp GTP_USB 60 5.2.8 Bộ điều khiển servo động DC 60 5.3 Thiết kế khí robot hàn di động 62 5.3.1 Thiết kế thân xe 62 5.3.2 Chọn động cho khâu 62 5.3.3 Lựa chọn phương án giảm tốc cho khâu 66 5.3.4 Thiết kế đồ gá đầu hàn 68 5.3.5 Nam châm 68 CHƯƠNG 6: GIẢI THUẬT LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 69 6.1 Giải thuật lập trình 69 6.2 Mô hình động DC kích từ độc lập 72 6.3 Bộ điều khiển PID 74 6.3.1 Bộ điều khiển tỉ lệ P 75 6.3.2 Bộ điều khiển tích phân I 76 6.3.3 Bộ điều khiển vi phân D 76 6.4 Điều khiển PID thích nghi động DC 78 6.5 Điều khiển PID kết hợp với mạng neural 80 6.5.1 Giới thiệu mạng neural 80 6.5.2 Cập nhật trọng số PID cho mạng neural 80 vi 6.6 Bộ điều khiển PID kết hợp với điều khiển mờ 84 6.6.1 Định nghĩa tập mờ 84 6.6.2 Các thuật ngữ logic mờ 84 6.6.3 Biến ngôn ngữ 85 6.6.4 Các phép toán tập mờ 86 6.6.5 Luật hợp thành 87 6.6.6 Giải mờ 88 6.6.7 Chỉnh định PID lý thuyết mờ 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 97 vii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot hàn di động với cánh tay máy có ba khớp quay Hình 1.2 Module cảm biến tiếp xúc Hình 1.3 Robot hàn di động với tay quay trục vít me dùng để hàn góc vuông Hình 1.4 Mối hàn góc vuông cần thực kết Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý hàn góc vuông robot Hình 1.6 Bug-gy Vert Hình 1.7 Vertical fillet welding carriage Hình 1.8 Weld-handy multi-purpose automated welding Hình 1.9 Mặt cắt dọc mối hàn góc mà robot cần hàn Hình 1.10 Các kiểu đường hàn Hình 1.11 Hình ảnh máy hàn MIG 200Y(J03) Hình 2.1 Mô hình tính toán robot có cánh tay tịnh tiến 10 Hình 2.2 Mô hình robot có cánh tay máy với ba khớp quay 13 Hình 3.1 Định nghĩa sai số toán robot có cánh tay tịnh tiến 17 Hình 3.2 Định nghĩa sai số toán cánh tay robot có ba khớp quay 19 Hình 3.3 Mô hình tính toán để hiệu chỉnh cho platform 22 Hình 3.4 Giải thuật hàn góc vuông robot hàn di động 24 Hình 4.1 Đường hàn tham chiếu mà robot phải bám theo 26 Hình 4.2 Kết mô robot 27 Hình 4.3 Sai số e1, e2, e3 thời điểm bắt đầu 27 Hình 4.4 Sai số e4, e5, e6 thời điểm ban đầu 29 Hình 4.5 Giá trị góc cánh tay máy suốt trình mô 30 Hình 4.6 Vận tốc góc ba khớp tay máy thời điểm ban đầu 31 Hình 4.7 Vận tốc điểm P vận tốc góc 32 Hình 4.8 Vận tốc góc hai bánh xe 33 viii Hình 4.9 Quỹ đạo điểm E đường tham chiếu thời điểm ban đầu 34 Hình 4.10 Đồ thị vận tốc điểm E vận tốc mong muốn lúc đầu 35 Hình 4.11 Kết mô robot hàn góc vuông 37 Hình 4.12 Kết mô robot góc vuông phóng lớn 38 Hình 4.13 Sai số e1, e2, e3 suốt trình mô 39 Hình 4.14 Vận tốc mong muốn vận tốc thực tế đầu đuốc hàn 40 Hình 4.15 Giá trị góc khớp suốt trình mô 41 Hình 4.16 Vận tốc góc ba khớp tay máy suốt trình mô 42 Hình 4.17 Góc mong muốn đầu hàn giá trị thực trình mô 43 Hình 4.18 Vận tốc góc hai bánh xe trình mô 44 Hình 5.1 Mô hình đo sai số e1, e2, e3 45 Hình 5.2 Hình ảnh thực tế cảm biến tiếp xúc tài liệu tham khảo [1 ] 46 Hình 5.3 Sơ đồ khối cách thức cập nhật hiệu chình sai số 47 Hình 5.4 Cách bố trí cảm biến siêu âm thân xe 48 Hình 5.5 Sơ đồ chân nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm 49 Hình 5.6 Cấu tạo cảm biến tiếp xúc hàn góc vuông 50 Hình 5.7 Mô hình hệ thống điều khiển 51 Hình 5.8 Sơ đồ chân PIC 18F4431 52 Hình 5.9 Tín hiệu encoder vào QEI 53 Hình 5.10 Sơ đồ đơn giản module QEI 54 Hình 5.11 Sơ đồ chân LMD18200 55 Hình 5.12 Sơ đồ khối chip LMD18200 55 Hình 5.13 Sơ đồ mạch điện mạch cầu H dùng LMD18200 56 Hình 5.14 Mạch kích MOSFET dùng opto TLP250 57 Hình 5.15 Sơ đồ nguyên lý TLP250 58 Hình 5.16 Sơ đồ mạch cầu H dùng MOSFET 59 ix Phụ lục Luận văn tốt nghiệp w3(i)=(vr*sin(ph2(i-1)+ph3(i-1)+e3(i-1))-vp(i-1)*cos(ph1(i-1))+(e2(i-1)*we(i-1)+ 1)+l3*(wr(i)+e3(i-1)*(k3+we(i-1))))* k1*e1(i- sin(ph2(i-1)+ph3(i-1))+(e2(i-1)*k2-e1(i-1)*we(i- 1))*cos(ph2(i-1)+ph3(i-1)))/(l2*sin(ph2(i-1)))+(wr(i)+e3(i-1)*(k3+we(i-1))); we(i)=wp(i)+w1(i)+w2(i)+w3(i); % Tính giá trị góc ba khớp cánh tay máy ph1(i)=ph1(i-1)+w1(i)*dt; ph2(i)=ph2(i-1)+w2(i)*dt; ph3(i)=ph3(i-1)+w3(i)*dt; phe(i)=php(i)+ph1(i)+ph2(i)+ph3(i)-(1/2)*pi; end % Kết thúc lệnh if tính toán hàn góc vuông if(i>=(n1+n2+1)&&i[...]... hàn, khoảng cách giữa các điểm hàn và thời gian hàn từng điểm Đối với đoạn chạy không, robot có thể di chuyển với vận tốc tối đa 15 mm/s  Kiểu hàn mà robot thực hiện: Hình 1.10 Các kiểu đường hàn Kiểu hàn đường 1 với chế độ hàn liên tục, hàn gián đoạn và hàn điểm được thực hiện bằng chuyển động của Robot hàn với các chế độ điều khiển Kiểu hàn 2 và 3 được thực hiện nhờ vào chuyển động lắc của đầu hàn, ... hướng di chuyển quay 900 nhưng vẫn giữ tốc độ chậm Trong lúc đó thì cánh tay robot bắt đầu hoạt động, kết hợp chuyển động quay của khớp và tịnh tiến của vít me để điều khiển đầu hàn luôn bám sát theo đường hàn Sau khi robot quay xong và cánh tay nằm ở vị trí thích hợp so với robot hàn khi hàn đường cong trơn thì cánh tay robot ngưng hoạt động lúc này robot bắt đầu tăng tốc và thực hiện công đoạn hàn đường. .. PID để điều khiển động cơ Chương 7: Đánh giá luận văn và hướng cải tiến SVTH: Phạm Duy Quân GVHD: TS Phan Tấn Tùng Trang 9 Chương 2 : Thiết lập mô hình động học cho robot hàn di động CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG 2.1 Bài toán robot với cánh tay tịnh tiến: Mô hình robot được đề nghị như sau: Platform có khung là hình hộp chữ nhật chuyển động được là nhờ hai bánh xe chủ động. .. Lý do là cánh tay độc lập với thân xe do đó trong khi cánh tay bám theo đường hàn thì thân xe có thể chuyển động tự do Dựa vào điều này ta chọn thiết kế robot hàn di động với cánh tay máy có ba khớp quay để hàn góc vuông cũng như hàn đường cong trơn (hàn thường) Khi hàn thường thì robot sẽ hoạt động như trên Còn nguyên lý của hàn góc vuông như sau: Ta có một đoạn góc vuông chiều dài 0.5 m × 0.5 m SVTH:... toán động học thuận Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển:  Định nghĩa các sai số về vị trí của robot so với đường hàn  Xây dựng bộ điều khiển Lyapunov điều khiển robot bám theo đường hàn cho trước Chương 4: Mô phỏng trên máy tính:  Mô phỏng quá trình hàn đường cong trơn và xuất kết quả của quá trình hàn  Mô phỏng quá trình hàn đường cong trơn và xuất kết quả của quá trình hàn Chương 5: Thiết kế mạch... Hình 1.3 Robot hàn di động với tay quay và trục vít me dùng để hàn góc vuông Để đọc sai số của đầu hàn người ta dùng hai camera xử lý ảnh Một camera thị trường lớn độ phân giải cao dùng để phát hiện đường hàn phía trước robot khá xa, nó hữu hiệu khi phát hiện ra các đường gấp khúc đặc biệt là góc vuông Camera kia thị trường nhỏ độ phân giải thấp hơn dùng để phát hiện sai số của đầu hàn dùng để hiệu... hàn góc mà robot cần hàn  Di chuyển trong mặt phẳng  Hàn góc theo đường cong trơn  Cho phép thay đổi các thông số hàn cho từng chế độ hàn tuỳ theo nhu cầu của người sử dụng SVTH: Phạm Duy Quân GVHD: TS Phan Tấn Tùng Trang 7 Chương 1: Tổng quan  Nhớ được các thông số của chế độ hàn trước đó  Phát hiện mối hàn góc vuông, đưa ra giải thuật để đạt được chất lượng hàn tốt nhất  Các chế độ hàn mà robot. .. chỉnh tay máy của robot Quá trình hàn góc vuông di n ra như sau: Khi robot đang chạy với tốc độ bình thường để hàn đường thẳng hay đường cong trơn thì camera có độ phân giải cao thị trường lớn phát hiện ra mối hàn góc vuông Lúc này robot bắt đầu di chuyển chậm lại tuy nhiên vẫn phải bám theo đường hàn và không được quá chậm nhằm tránh ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối hàn. Ngay khi robot tới đủ gần nó... chọn tốc độ di chuyển của đầu hàn là 8 mm/s Tốc độ này rất phù hợp với tốc độ hàn của công nhân hàn trong thực tế Do yêu cầu như trên nên luận văn được chia làm các chương như sau: Chương 1: Tổng quan:  Giới thiệu chung công nghệ hàn và một số các nghiên cứu liên quan ứng dụng robot di động trong công nghệ hàn Chương 2: Mô hình động học robot hàn:  Chọn mô hình của robot để giải bài toán động học ... được đặt xung quanh vùng hàn 1.1.3 Phạm vi ứng dụng: Do những đặc điểm nêu trên, phương pháp hàn hồ quang có khí bảo vệ được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp Đặc biệt, nhờ vào việc cấp dây hàn và khí bảo vệ liên tục, phương pháp này có khả năng ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực tự động hoá quá trình hàn 1.2 Các nghiên cứu về robot hàn di động: 1.2.1 Robot hàn di động kết hợp với tay máy: ... tự động hoá trình hàn 1.2 Các nghiên cứu robot hàn di động: 1.2.1 Robot hàn di động kết hợp với tay máy: Tham khảo từ tài liệu [1] nhóm kỹ sư Hàn Quốc Việt Nam thực Hình 1.1 Robot hàn di động. .. Ta thiết kế robot hàn di động với thiết kế dựa tài liệu tham khảo [1] gồm thân xe có bánh tự lựa cánh tay máy  Chức robot hàn di động: Hình 1.9 Mặt cắt dọc mối hàn góc mà robot cần hàn  Di. .. nghiên cứu robot hàn di động 1.2.1 Robot hàn di động kết hợp với tay máy 1.2.2 Robot hàn góc vuông dùng camera xử lý ảnh 1.2.3 Một số hình ảnh loại robot hàn di động khác