TÓM TẮT Nội dung chính của luận văn là thiết kế - chế tạo thử nghiệm mô hình robot hàn tự động nhận diện mối hàn để hàn các đường cong trong mặt phẳng nằm ngang.. Nôi dung gồm: Chương 1:
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM MẠNH TRƯỜNG
NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204
S 0 9
THIẾT KẾ - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ROBOT
HÀN TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN
S KC 0 0 3 4 5 8
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM MẠNH TRƯỜNG
THIẾT KẾ - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN
NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học:
TS LÊ CHÍ CƯƠNG
Trang 3LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Phạm Mạnh Trường Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 07 - 12 - 1986 Nơi sinh: Nam Định Quê quán: Trực Ninh – Nam Định Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khu tập thể gia đình Vùng 4 Hải Quân, Cam Nghĩa – Cam Ranh – Khánh Hòa
Điện thoại cơ quan: Điện thoại riêng: 0987627880
Fax: E-mail: mtruong712@gmail.com
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09 / 2004 đến 02/ 2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Cơ khí chế tạo máy
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1/2009 tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011
(Ký tên và ghi rõ họ tên)
Phạm Mạnh Trường
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu trong chương trình đào tạo sau đại học của trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM, em đã tiếp thu và đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sỹ, em đã vận dụng những kiến thức đã được học của mình để giải quyết một vấn đề thực tế Đề tài nghiên cứu và giải quyết vấn đề mới trong lĩnh vực hàn tự động, vì lần đầu tiên tiếp xúc nên em gặp rất nhiều khó khăn
Với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn TS Lê Chí Cương cùng với sự
hỗ trợ của gia đình, bạn bè Cho đến thời điểm này luận văn của em đã đạt được những kết quả như mong muốn
Đến đây, cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành đến:
- Ban Giám Hiệu trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM
- Thầy TS Lê Chí Cương – Khoa Cơ khí chế tạo máy - Trường Đại học
Trang 6TÓM TẮT
Nội dung chính của luận văn là thiết kế - chế tạo thử nghiệm mô hình robot hàn tự động nhận diện mối hàn để hàn các đường cong trong mặt phẳng nằm ngang Nôi dung gồm:
Chương 1:
Trình bày tổng quan về robot hàn: lịch sử phát triển của ngành hàn, ứng dụng của robot hàn trong sản xuất, các dạng robot hàn, tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước, mục tiêu nghiên cứu của luận văn
Trang 7ABSTRACT
The main content of essay tends to design – make a prototype of welding mobile robot automatic recognize the welding track to weld curve in horizontal plane The content includes:
Chapter 1:
This chapter shows general of welding robot: history and development of welding, using of welding robot in manufacture, type of welding robot, problems concerned in the research of welding robot in Viet Nam and other countries, objective of essay
Trang 8MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Lời cảm ơn iii
Tóm tắt iv
Mục lục vi
Danh sách các hình x
Danh sách các bảng xvi
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH ROBOT HÀN 1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN 1
1.2 ROBOT HÀN 3
1.2.1 Ứng dụng của robot hàn trong sản xuất 3
1.2.2 Các dạng Robot hàn 5
1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 8
1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 25
1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 25
1.4.2 Giới hạn của đề tài 26
CHƯƠNG 2 HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 27
2.1 LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN 27
2.1.1 Sự tạo thành mối hàn 27
2.1.2 Tổ chức kim loại của mối hàn 30
2.2 KHÁI NIỆM 31
2.3 THIẾT BỊ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 32
2.4 VẬT LIỆU HÀN 35
2.4.1 Dây hàn 35
2.4.2 Thuốc hàn 36
2.5 KỸ THUẬT HÀN 37
Trang 92.5.1 Mồi hồ quang 37
2.5.2 Ngắt hồ quang 39
2.5.3 Kỹ thuật lót 39
2.5.4 Hàn giáp mối 41
2.6 HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN 44
2.6.1 Ảnh hưởng của chế độ hàn 44
2.6.2 Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ 47
2.6.3 Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu 51
CHƯƠNG 3 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT 53
3.1 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT HÀN TỰ HÀNH 53
3.1.1 Dạng 1: Robot hàn tự hành dùng để hàn góc không có bộ phận tạo quỹ đạo công nghệ hàn 53
3.1.2 Dạng 2: Robot hàn tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn góc 53
3.1.3 Dạng thứ 3: Robot hàn tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn góc có ray dẫn hướng 54
3.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT 55
3.2.1 Phương án 1 55
3.2.2 Phương án 2 56
3.2.3 Phương án 3 57
3.2.4 Phương án 4 58
3.2.5 Phương án 5 58
3.2.6 Lựa chọn phương án phù hợp nhất 59
3.3 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT 60
3.3.1 Module ray dẫn hướng 61
3.3.2 Thân robot `63
3.3.3 Module trượt gắn cảm biến dò đường hàn 64
3.3.4 Module trượt gắn đầu hàn 75
3.4 QUỸ ĐẠO CÔNG NGHỆ HÀN 79
3.4.1 Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn 79
Trang 103.4.2 Các phương pháp tạo ra quỹ đạo chuyển động công nghệ hàn 80
3.4.3 Giải pháp tạo quỹ đạo công nghệ hàn cho robot 82
CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN 82
4.1 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT ĐƯỜNG HÀN Ở CÁC ĐỀ TÀI TRƯỚC 85
4.1.1 Nhận biết bằng phương pháp dò theo vách đứng khi hàn góc: 85
4.1.2 Tạo vết dẫn đường để điều khiển đường đi của robot theo đường hàn: 86
4.1.3 Lấy mẫu điểm trên đường hàn với công cụ lập trình Teach Pendant: 87
4.1.4 Nhận biết các điểm mép của đường hàn dùng cảm biến quang: 89
4.2 PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT MÉP HÀN 90
4.2.1 Phân tích cấu tạo đường hàn 90
4.2.2 Các phương án nhận biết các điểm mép đường hàn 92
4.3 CÁC PHƯƠNG ÁN NHẬN BIẾT ĐƯỜNG HÀN 95
4.3.1 Các phương án 95
4.3.2 Lựa chọn phương án tối ưu 103
4.3 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN 104
CHƯƠNG 5 BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT 110
5.1 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN ROBOT 110
5.1.1 DC Motor 110
5.1.2 Mạch công suất H – Bridge 112
5.1.3 Bộ điều khiển PID tốc độ, vị trí cho DC motor 114
5.1.4 Cảm biến quang E3X-DA-S 120
5.1.6 Vi điều khiển ATmega128 123
5.2 MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ROBOT 124
CHƯƠNG 6 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 128
6.1.THỬ NGHIỆM 128
6.2.ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 131
Trang 11CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 132
7.1.TÓM TẮT 132
7.2.NHỮNG CÔNG VIỆC ĐÃ THỰC HIỆN ĐƯỢC 132
7.3.NHỮNG HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 132
PHỤ LỤC 134
TÀI LIỆU THAM KHẢO 157
Trang 12DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1 Các phương pháp hàn 2
Hình 1.2 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 4
Hình 1.3 Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC 4
Hình 1.4 Tay máy 6 bậc tự do 5
Hình 1.5 Đầu hàn MIG/MAG có ly hợp chống va đập 6
Hình 1.6 Robot hàn với ray trượt nằm ngang 6
Hình 1.7 Robot hàn với ray trượt trên trần và trên vách 7
Hình 1.8 Robot hàn ray trượt đứng và ray trượt cong của hãng Bug-O 7
Hình 1.9 Robot hàn tự hành hoàn toàn tự động 8
Hình 1.10 Robot hàn của hãng ABB 8
Hình 1.11 Robot hàn tự hành của hãng Ishimatsu 9
Hình 1.12 Robot hàn cắt tự hành của hãng Bug-O 9
Hình 1.13 Các đơn vị chính của hệ thống hàn đa cảm biến 10
Hình 1.14 Cấu hình của bộ điều khiển nhúng cho các robot hàn di động 'RRX3' 11
Hình 1.15 Sơ đồ khối của hệ thống 11
Hình 1.16 Cảm biến thị giác 12
Hình 1.17 Cấu trúc của robot hàn ống của đề tài 13
Hình 1.18 Đường hàn hình chữ nhật (RWL) 14
Hình 1.19 Mô hình nguyên lý của Robot 14
Hình 1.20 Mô hình thực tế của robot 15
Hình 1.21 Mô hình nguyên lý của robot hàn di động dùng để hàn góc 16
Hình 1.22 Mô hình thực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc 17
Hình 1.23 Robot gỡ xỉ hàn của đề tài 17
Hình 1.24 Hình ảnh các robot của đề tài 19
Hình 1.25 Sơ đồ cấu trúc của robot hàn 20
Hình 1.26 Nguyên lý hoạt động của robot 21
Trang 13Hình 1.27 Mối tương quan giữa quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ 22
Hình 1.28 Robot han Panasonic AW 7000 22
Hình 1.29 Robot hàn Almega AX-V6 23
Hình 1.30 Sản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận văn đang hàn thử nghiệm trên sàn bằng tôn 24
Hình 1.31 Hình ảnh Robot của đề tài 25
Hình 1.32 Giới hạn đường cong hàn của đề tài 26
Hình 2.1 Mối nối hàn 27
Hình 2.2 Bể hàn 28
Hình 2.3 Hình dạng và kích thước của bể hàn 28
Hình 2.4 Tác dụng của lực từ trường ép lên que hàn 29
Hình 2.5 Tổ chức kim loại của mối hàn 30
Hình 2.6 Nguyên lý quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc 31
Hình 2.7 Các khả năng chuyển động của đầu hàn tự động trên xe tự hành 33
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý xe hàn vạn năng 34
Hình 2.9 Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc 35
Hình 2.10 Bột sắt hoặc phoi thép 38
Hình 2.11 Cắt vát đầu dây hàn 39
Hình 2.12 Hàn lót để hàn SAW 40
Hình 2.13 (A) Hàn giáp mối rãnh V, (B) hàn giáp mối vuông 40
Hình 2.14 Lót bằng thuốc hàn 40
Hình 2.15 Lót bằng gốm 41
Hình 2.16 Tấm lót thép để hàn giáp mối tấm mỏng 42
Hình 2.17 Hàn hai phía tấm dày 19 ÷ 25.4mm 42
Hình 2.18 Hàn hai phía tấm dày 32 ÷ 38 mm 43
Hình 2.19 Các kích thước đặc trưng của mối hàn 44
Hình 2.20 Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn 45
Hình 2.21 Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn theo điện áp hàn 46
Trang 14Hình 2.22 Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo tiết diện điện cực 46
Hình 2.23 Ảnh hưởng của tốc độ hàn 47
Hình 2.24 Góc nghiêng dây hàn và ảnh hưởng của góc nghiêng về phía trước lên hình dạng mối hàn 48
Hình 2.25 Góc nghiêng vật hàn và hình dạng mối hàn 49
Hình 2.26 Vị trí dây hàn khi hàn các mối hàn vòng đường kính nhỏ và cường độ dòng điện hàn tối đa 50
Hình 2.27 Ảnh hưởng cực tính dòng hàn 50
Hình 2.28 Độ nhú điện cực 51
Hình 2.29 Ảnh hưởng của góc rãnh hàn và khe đáy lên hình dạng mối hàn 51
Hình 3.1 Robot hàn góc của hãng Koile (Nhật) 53
Hình 3.2 Robot hàn tự hành dùng hàn phẳng và góc của Bug-O 54
Hình 3.3 Robot hàn tự hành dùng hàn đứng của Bug-O 55
Hình 3.4 Phương án 1 56
Hình 3.5 Phương án 2 57
Hình 3.6 Phương án 3 57
Hình 3.7 Phương án 4 58
Hình 3.8 Phương án 5 59
Hình 3.9 Phương án truyền động của robot 60
Hình 3.10 Mô hình tổng thể của robot 61
Hình 3.11 Mô hình 3D của thanh trượt bi dùng làm ray dẫn hướng 62
Hình 3.12 Các hình chiếu của thanh trượt và con trượt 62
Hình 3.13 Gắn 2 thanh trượt và thanh răng trên khung gá 63
Hình 3.14 Kích thước khung gá 63
Hình 3.15 Thân robot 64
Hình 3.16 Chuyển động song phẳng 64
Hình 3.17 Mô hình bài toán chuyển động song phẳng 65
Hình 3.18 Xác định tâm quay tức thời 66
Trang 15Hình 3.19 Puly 3 tầng 68
Hình 3.20 Nguyên tắc thay đổi tâm quay tức thời 69
Hình 3.21 Sơ đồ hoạt động của cơ cấu 69
Hình 3.22 Mô hình cơ cấu đảo chiều bằng thay đổi tâm quay tức thời 70
Hình 3.23 Module trượt gắn cảm biến dò đường hàn 71
Hình 3.24 Bộ vitme – đai ốc bi 71
Hình 3.25 Ổ bi đỡ 72
Hình 3.26 Khớp nối trục 73
Hình 3.27 Module trượt gắn lên thân robot 74
Hình 3.28 Hình ảnh thực tế của module trượt 74
Hình 3.29 Mô hình 3D của module 75
Hình 3.30 Thanh trượt bi gắn đầu hàn 76
Hình 3.31 Bộ điều chỉnh cao độ của đầu hàn 76
Hình 3.32 Module trượt gắn đầu hàn lắp lên thân robot 77
Hình 3.33 Module trượt gắn đầu hàn 77
Hình 3.34 Hình ảnh thực tế của module trượt gắn đầu hàn MIG 78
Hình 3.35 Kết cấu thiết kế hoàn chỉnh của robot 78
Hình 3.36 Kết cấu hoàn chỉnh thực tế của robot 79
Hình 3.37 Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn 79
Hình 3.38 Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn khác 80
Hình 3.39 Phương pháp gắn cơ cấu phụ tạo quỹ đạo công nghệ hàn 80
Hình 3.40 Robot hàn có gắn bộ phận tạo qũy đạo công nghệ của Bug-O 81
Hình 3.41 Qũy đạo công nghệ hàn được tạo ra do kết hợp chuyển động của các khớp 82
Hình 3.42 Tạo quỹ đạo zigzag bằng cách phối hợp các chuyển động của robot 83
Hình 3.43 Tạo quỹ đạo zigzag bằng cách lắc đuốc hàn 83
Hình 3.44 Tạo quỹ đạo zigzag bằng nguyên lý tay quay con trượt 84
Hình 4.1 Mô hình thực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc 85
Hình 4.2 Sơ đồ cấu trúc của robot hàn 86
Trang 16Hình 4.3 Nguyên lý hoạt động của robot 87
Hình 4.4 Teach pendant của hai công ty Kawasaki và Panasonic - Nhật Bản 88
Hình 4.5 Mối tương quan giữa quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ 88
Hình 4.6 Robot han Panasonic AW 7000 89
Hình 4.7 Sản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận văn đang hàn thử nghiệm trên sàn bằng tôn 89
Hình 4.8 Hình ảnh Robot của đề tài 90
Hình 4.9 Mặt cắt của đường hàn vát mép chữ V 91
Hình 4.10 Đường hàn không vát mép 91
Hình 4.11 Đường hàn không vát mép 91
Hình 4.12 PA1 – Đầu dò di chuyển qua phải 92
Hình 4.13 PA1 – Đầu dò di chuyển qua trái 93
Hình 4.14 PA2 – Đầu dò di chuyển qua trái 94
Hình 4.15 PA2 – Đầu dò di chuyển qua phải 94
Hình 4.16 Nguyên lý dò đối với đường hàn không vát mép 95
Hình 4.17 Phương án 1 95
Hình 4.18 Quỹ đạo gấp khúc ở PA 1 của đầu hàn 96
Hình 4.19 Phương án 2 97
Hình 4.20 Quỹ đạo gấp khúc ở PA 2 của đầu hàn 98
Hình 4.21 Phương án 3 98
Hình 4.22 Chuyển động của đầu dò ở PA 3 99
Hình 4.23 Quỹ đạo gấp khúc ở PA3 của đầu hàn 99
Hình 4.24 Phương án 4 100
Hình 4.25 Chuyển động của đầu dò ở PA 4 100
Hình 4.26 Quỹ đạo gấp khúc ở PA 4 của đầu hàn 101
Hình 4.27 Quỹ đạo gấp khúc ở PA 5 của đầu hàn 102
Hình 4.28 Quỹ đạo gấp khúc ở PA 6 của đầu hàn 102
Hình 4.29 Vị trí Home 105
Hình 4.30 Tọa độ các đỉnh gấp khúc của đầu hàn 105
Trang 17Hình 4.31 Lưu đồ giải thuật điều khiển với các phương án 1, 2, 3 và 4 107
Hình 4.32 Lưu đồ giải thuật điều khiển với các phương án 5 và 6 108
Hình 4.33 Sơ đồ khối điều khiển động cơ 109
Hình 5.1 Sơ đồ khối điều khiển robot 110
Hình 5.2 Động cơ DC Motor TS 198 110
Hình 5.3 Mạch công suất H – Bridge 113
Hình 5.4 Hình ảnh board mạch thực tế 113
Hình 5.5 Board mạch gắn trên thanh nhôm rail 114
Hình 5.6 Module PID điều khiển tốc độ, vị trí 115
Hình 5.7 Sơ đồ khối PID 115
Hình 5.8 Sơ đồ khối của LM629 117
Hình 5.9 Biên dạng vận tốc 117
Hình 5.10 Mạch công suất LMD18200 119
Hình 5.11 Board điều khiển PID 119
Hình 5.12 Cảm biến quang E3X-DA-S 120
Hình 5.13 Sơ đồ đấu dây cho cảm biến quang E3X-DA-S 120
Hình 5.14 Các dòng AVR khác nhau: Tiny, AVR và Mega 123
Hình 5.15 Cấu trúc của Vi điều khiển AVR 123
Hình 5.16 Sơ đồ nguyên lý điều khiển robot 125
Hình 5.17 Sơ đồ mạch điện điều khiển robot 126
Hình 5.18 Tủ điện điều khiển robot 127
Hình 5.19 Các thiết bị giao tiếp của bộ điều khiển 127
Hình 6.1 Máy hàn MIG để hàn thử nghiệm 128
Hình 6.2 Chuẩn bị mép hàn cho hàn thử nghiệm 128
Hình 6.3 Mối hàn của mẫu thử nghiệm thứ nhất 129
Hình 6.4 Cảm biến đang dò tìm rãnh hàn ở mẫu thử thứ 2 129
Hình 6.5 Màn hình LCD hiển thị các điểm mép hàn mà cảm biến dò tìm được ở mẫu thử thứ 2 130
Hình 6.6 Mối hàn của mẫu thử nghiệm thứ 2 130