Nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN VIỆT TIẾN NGHIÊN CỨU, ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN DI ĐỘNG TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY Chuyên ngành : Cơ điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CƠ ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS TRẦN ĐỨC TRUNG Hà Nội – Năm 2011 HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN 5  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6  MỞ ĐẦU 8  CHƯƠNG .10  TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TRONG NGÀNH ĐÓNG TÀU 10  1.1 Tổng quan robot hàn .10  1.1.1 Ứng dụng robot lĩnh vực hàn .10  1.1.2 Các hình thức hàn dạng điều khiển robot .11  1.1.3 Đặc tính kỹ thuật robot hàn thông số đường hàn 12  1.2 Giới thiệu robot hàn đường công nghiệp đóng tàu 13  1.2.1 Robot hàn tự hành bán tự động chạy ray dẫn 13  1.2.2 Robot hàn tự hành tự động hoàn toàn chạy ray dẫn 14  1.2.3 Robot hàn tự hành kiểu dạy học chạy ray dẫn 17  CHƯƠNG .19  XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT .19  2.1 Thiết kế kết cấu 19  2.1.1 Ray trượt .19  2.1.2 Kết cấu 20  2.1.3 Tính chọn sơ công suất động trục đứng 21  2.1.4 Tính chọn sơ động trục ngang 22  2.1.5 Thiết kế cấu nhận dạng quỹ đạo hàn tự động dùng cảm biến khoảng cách 22  2.2 Bài toán động học .24  2.2.1 Cấu trúc động học robot 24  2.2.2 Bài toán động học thuận 26  2.2.3 Bài toán động học ngược 27  2.3 Bài toán động lực học 30  2  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  2.3.1 Cơ sở lý thuyết 30  2.3.1.1 Biểu thức động 30  2.3.1.2 Biểu thức .32  2.3.1.3 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động hệ phương pháp Lagrange loại hai 32  2.3.2 Bài toán động lực học 33  2.3.2.1 Bài toán động lực học thuận .33  2.3.2.2 Bài toán động lực học ngược 33  2.3.3 Tính động máy 34  2.3.4 Tính robot .37  2.3.5 Lập phương trình vi phân động lực học giải toán động lực học robot 37  2.3.6 Động lực học robot .39  CHƯƠNG .44  XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT 44  3.1 Sử dụng cảm biến khoảng cách laser tìm profile mặt cắt ngang đường hàn 44  3.1.1 Giới thiệu cảm biến khoảng cách dùng tia laser .44  3.1.2 Phương pháp tạo profile cắt ngang đường hàn 45  3.2 Số hóa tín hiệu thu lọc nhiễu 47  3.3 Tìm ma trận điểm chốt 49  CHƯƠNG .51  THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT .51  4.1 Thiết kế điều khiển động bước độ xác cao 51  4.4.1 Cơ động bước .51  4.1.2 Các phương pháp điều khiển động bước 55  4.1.2.1 Phương pháp băm xung trì tần số không đổi 56  4.1.2.2 Phương pháp băm xung trì thời gian nghỉ Toff không đổi 63  4.1.2.3 Phương pháp băm xung tần số tự 63  3  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  4.1.3 Thiết kế mạch điều khiển động bước 64  4.1.3.1 Giới thiệu IC điều khiển động bước chuyên dụng A3896 64  4.1.3.2 Mạch điều khiển động bước thực tế .68  4.2 Thiết kế điều trung tâm 70  4.2.1 Vi điều khiển DsPic 30F4011 .70  4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển 71  KẾT LUẬN 73  TÀI LIỆU THAM KHẢO 75  4  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn đề tài: “ Nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động chế tạo vỏ tàu thủy ” tự thực hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Trần Đức Trung Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài tài liệu tham khảo dẫn cuối sách đảm bảo không chép công trình người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Học viên thực Trần Việt Tiến 5  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 – Máy hàn bán tự động .14  Hình 1.2 – Robot hàn tự động dò quỹ đạo hàn chuyên dụng 16  Hình 1.3 – Cấu trúc hệ thống nhận dạng sử lý quỹ đạo đường hàn dùng cảm biến khoảng cách laser camera CMOS 17  Hình 1.4 – Một loại robot hàn tự động chế tạo nước 18  Hình 2.1 – Ray trượt 20  Hình 2.2 – Kết cấu tổng quan 21  Hình 2.3 – Sơ đồ cấu nhận dạng quỹ đạo 23  Hình 2.4 – Cấu trúc động học 24  Hình 2.5 Quỹ đạo chuyển động mũi súng hàn 27  Hình 2.6: Đồ thị vận tốc gia tốc khâu toán động học thuận 30  Hình 2.7: Mô hình hệ có n bậc tự 31  Hình 2.8: Đồ thị lực khâu toán động lực học ngược 41  Hình 2.9: Đồ thị vận tốc gia tốc khâu toán động học ngược cho chuyển động thẳng 43  Hình 3.1: Cảm biến khoảng cách laser CP24MHT80 .44  Hình 3.2: Sử dụng cảm biến laser tìm profile biên dạng hàn 46  Hình 3.3: Tập hợp điểm thu sau trình quét bề mặt vật hàn cảm biến khoảng cách .46  Hình 3.4: Tín hiệu thu chưa lọc 47  Hình 3.5: Tín hiệu thu lọc qua lọc thông thấp điện tử 48  Hình 3.6: Tín hiệu thu lọc qua lọc số 48  Hình 3.7: Tín hiệu thu lọc qua lọc số 50  Hình 4.1: Cấu tạo động bước nam châm vĩnh cửu .52  Hình 4.2: Cấu tạo động bước từ trở thay đổi .53  Hình 4.3: Cấu tạo động bước rạng stator nhiều tầng 54  Hình 4.4: Đồ thị dòng điện phương pháp điều khiển động bước .56  Hình 4.5: Phương pháp băm xung tần số không đổi .57  6  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  Hình 4.6: Dòng điện phương pháp điều khiển chopper xung .58  Hình 4.7: Dạng sóng chế độ băm xung pha inhibit băm xung 59  Hình 4.8: Phương pháp hạn chế nhiễu ảnh hưởng đến thời gian mở bán dẫn công suất 60  Hình 4.9: Hiện tượng dòng đồng 62  Hình 4.10: Phương pháp băm xung thời gian off không đổi 63  Hình 4.11: Phương pháp băm xung tần số tự .64  Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý tổng quát điều khiển dùng IC A3986 65  Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý IC A3986 .66  Hình 4.14: Các mức dòng điện chế độ vi bước 1/16 .67  Hình 4.15: Mạch nguyên lý thiết kế cho động bước 68  Hình 4.16: Mạch layout 68  Hình 4.17: Mạch hoàn chỉnh thiết kế cho động bước – chạy độc lập kết nối máy tính thông qua mạch điều khiển trung tâm 69  Hình 4.18: Dạng sóng dòng điện pha chế độ vi bước 1/16 oscilocope 69  Hình 4.19: Sơ đồ chân chip DsPic30F4011 dạng Dip .71  Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm 72  Hình 4.21: Sơ đồ layout mạch điều khiển trung tâm 73  7  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  MỞ ĐẦU Lịch sử phát triển ngành công nghiệp đóng tàu gắn liền với lịch sử phát triển công nghệ hàn Từ năm cuối bốn mươi, phương pháp hàn khí bảo vệ nghiên cứu đưa vào sản xuất Hàn khí bảo vệ làm tăng vọt chất lượng mối hàn phương pháp hàn sử dụng rộng rãi nhà máy đóng tàu với ưu điểm chất lượng mối hàn đặc biệt khả sử dụng dễ dàng nhiều tư hàn khác Tuy nhiên robot nghiên cứu sử dụng rộng rãi ngành hàn nói chung công nghiệp đóng tàu nói riêng thao tác hàn chủ yếu thực người máy bán tự động đơn giản Trong thực tế môi trường làm việc thợ hàn khắc nghiệt: phải tiếp xúc với ánh sáng hồ quang giàu tử ngoại ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, địa điểm làm việc nguy hiểm họ phải treo cần trục để hàn phần mạn tàu cao chênh vênh, thêm vào chất lượng mối hàn không đồng yếu tố người để tuyển dụng đỗi ngũ thợ hàn bậc cao dễ Lúc này, máy hàn bán tự động đời với mục đích giảm gánh nặng cho người, nâng cao suất chất lượng mối hàn Tuy nhiên phần lớn máy hàn bán tự động thô sơ phải nhiều công lao động việc hạn chế kết cấu điều khiển nên đa phần chúng họat động theo phương pháp dạy – học Chính suất đóng sửa chữa cao mong muốn chất lượng gia công không thật đảm bảo Bên cạnh nhu cầu đóng tàu lớn siêu lớn ngày tăng cao giới điều đòi hỏi lực sản xuất lớn tiêu chuẩn kèm theo khắt khe Nhận thấy điều công ty nước có ngành đóng tàu phát triển mạnh giới nhanh chóng áp dụng công nghệ robot vào lĩnh vực đóng tàu đặc biệt sử dụng công nghệ hàn vỏ tàu với ưu điểm vượt trội tính linh hoạt công nghệ gia công nên robot hàn chuyên dụng đa ngành đóng tàu xuất nhiều ngày nâng cao suất ngành Nước ta nước đóng tàu ( chủ yếu vỏ tàu ) có tiếng khu vực 8  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  nên vấn đề ứng dụng robot hàn ngành trở nên thiết hết Tuy nhiên, chi phí robot hàn chuyên dụng đa cao nên chủ yếu nhà máy hay công ty đóng tàu lớn có khả tiếp cận thiết bị tiên tiến Chính nhu cầu loại robot hàn cho ngành đóng tàu với giá thành hợp lý đáp ứng yêu cầu gia công ngành thật vấn đề thời cần giải Từ phân tích cộng với kiến thức chuyên ngành điện tử có tác giả chọn đề tài cho luận văn thạc sỹ là: “ nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy ” Mục tiêu đề tài nghiên cứu thiết kế xây dựng chiến lược điều khiển cho robot hàn di động dạng tự hành chuyên dùng cho mối hàn đứng mạn tàu nơi thường khó thao tác với thợ hàn máy hàn bán tự động, mối hàn ngang với chiều dài lớn mối ghép không đồng boong tàu Đề cương gồm nội dung sau: Chương : Tổng quan robot hàn công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy Chương : Xây dựng phương án thiết kế robot Chương : Xây dựng quỹ đạo chuyển động cho robot Chương : Thiết kế điều khiển robot Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo PGS.TS Trần Đức Trung, viện Cơ khí – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hướng dẫn giúp đỡ hoàn thành luận văn Do thời gian ngắn lực thân hạn chế nên kết chắn nhiều thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo 9  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TRONG NGÀNH ĐÓNG TÀU 1.1 Tổng quan robot hàn 1.1.1 Ứng dụng robot lĩnh vực hàn Trong công nghiệp nguyên công hàn ứng dụng robot phổ biến ngành công nghiệp ôtô – xe máy, máy bay, đóng tàu biển, ngành công nghiệp liên quan đến vận tải đường ống dầu khí, hóa chất… Sản phẩm phù hợp để ứng dụng robot hàn thường hội tụ đặc điểm: - Độ phức tạp mặt tạo hình; - Tính xác xác lặp lại cao; - Các họ chi tiết có mặt offset; - Sản phẩm loạt lớn, hàng khối; - Các sản phẩm có khuynh hướng không mô tả tạo hình vẽ truyền thống, tạo hình thông qua liên kết CAD/CAM, mô tả hình học file NC code thông qua nội suy mô hình toán; - Các sản phẩm gia công môi trường nóng, ẩm, độc hại, áp suất cao; - Các sản phẩm yêu cầu tính thẩm mỹ Do giá thành nhân công yêu cầu tính đồng sản phẩm ngày tăng, tập đoàn công nghiệp lớn giới ford, Toyota, Honda, Boeng ngày ứng dụng nhiều robot dây chuyền sản xuất họ Các sản phẩm có yêu cầu thẩm mỹ, sản phẩm yêu cầu thủy khí động học bề mặt gia công mui xe hơi, yếm xe máy, sản phẩm có khuynh hướng thay đổi theo thời trang cần thay đổi mẫu mã thường xuyên dạng sản phẩm có yêu cầu ứng dụng robot cao Cùng với nhu cầu sử dụng robot hàn ngày tăng cao, tập đoàn lớn sản xuất cung cấp robot cho thị trường ngày nhiều, bật kể đến Panasonic, Kuka, Motoman, Kawaskaki, Fanuc… 10  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  Có hai cách khắc phục vấn đề trên, thêm vào mạch lọc RC có tác dụng lọc nhiễu xung kim (phải thêm phần tử vào mạch) hai là, tăng độ rộng xung SET cho RS FlipFlop (thời gian phải lớn thời gian xảy nhiễu Rs) Cả hai phương pháp trình bày hình 4.8(b) Một vấn đề khác có ảnh hưởng lớn đến ổn định hệ thống chọn chế độ thực băm xung Nếu sử dụng phương pháp inhibit băm xung trình bày phần trên, lượng cuộn dây giải phóng nhanh Chính nhờ khả mà chế độ điều khiển động bước công suất lớn tốc độ làm việc cao Tuy nhiên giảm nhanh dòng làm ổn định hệ thống Thật vậy, bỏ qua ảnh hưởng sức phản điện động (EMF) ta tính điện áp cuộn dây thời gian dẫn dòng (t1) thời gian khoá transistor (t2) sau: U1 = Unguồn – 2Ubão hoà - URs U2 = Unguồn + 2Uđiôt thuận Mặt khác, tốc độ tăng giảm dòng bị giới hạn công thức: U = L di/dt Rõ ràng điện áp cuộn dây thời gian giải phóng lượng (U2) lớn điện áp đặt vào cuộn dây thời gian dẫn transistor (U1) tức theo (2) ta có thời gian t1 lớn t2 (t1 > t2) Như vậy, thời gian dẫn dòng (t1) lớn 50% chu kì xung đồng (OSC CLOCK) Nếu tính tới sức phản điện động t1 trí lớn nhiều sức phản điện động có xu hướng ngăn cản tăng dòng hỗ trợ giảm dòng Trong điều kiện này, ngẫu nhiên lần dòng điện đạt tới giới hạn sau có xung tín hiệu đồng bộ, khâu so sánh lệnh khoá transistor dòng giảm dần Vì tốc độ giảm dòng nhanh thời gian giảm dòng lớn (xấp xỉ chu kì xung đồng bộ) nên có xung đồng mở transistor dòng giảm xuống giá trị nhỏ Chính dòng điện không kịp tăng đến giá trị giới hạn chu kì xung đồng đạt tới giá trị đặt xung đồng thứ Quá trình lặp lại dẫn đến động hoạt động tần số ½ 61  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  tần số băm xung mong muốn Trong thực tế, mạch điều khiển hoạt động tần số nêu tuỳ thuộc vào ngẫu nhiên Hình 4.9: Hiện tượng dòng đồng Điều không xảy với chế độ pha băm xung tính giảm chậm dòng điện Để khắc phục tượng ta tăng tần số băm xung cho tần số lớn tần số băm xung nhỏ (tuỳ thuộc vào hệ thống), hay sử dụng xung đồng nhằm tăng độ rộng xung set cho RS FlipFlop lên tới 30% chu kì xung trình độ khởi động mạch điều khiển, mạch lực nên tách khỏi mạch điều khiển.  Một điểm đáng quan tâm cuối phương pháp điều khiển băm xung ảnh hưởng sức phản điện động động Sức phản điện động phân tích có xu hướng kéo dài chu kì băm xung nhỏ động (làm giảm tần số băm xung giới hạn định xung đồng OSC CLOCK, tần số lớn dòng điện tải mịn tạo sóng hài mạch) Trong trường hợp đặc biệt điện áp nguồn cấp nhỏ so với sức phản điện động trường hợp ổn định xảy Khi này, phương pháp băm xung trì tần số không đổi thực được, ta buộc phải sử dụng phương pháp băm xung khác (như phương pháp băm xung trì thời gian toff, thả thời gian ton thích hợp trình bày chi tiết đây) 62  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  4.1.2.2 Phương pháp băm xung trì thời gian nghỉ Toff không đổi Đặc điểm khác biệt phương pháp với phương pháp nêu nhận thấy rõ qua tên gọi phương pháp Thay trì tần số băm xung không đổi phương pháp trì thời gian toff không đổi Chính cần trì thời gian khoá transistor lực nên phương pháp không bị đồng phương pháp đặc biệt thích hợp với loại động bước có sức phản điện động lớn Cấu trúc điều khiển trình bày hình 4.10 Hình 4.10: Phương pháp băm xung thời gian off không đổi Thay sử dụng RS FlipFlop phương pháp băm xung tần số không đổi phương pháp sử dụng trigger để tạo thời gian trễ toff (được định thông số mạch RC) Khi dòng điện đạt tới giá trị đặt, so sánh kích hoạt trigger khoá transistor mạch lực bắt đầu tính thời gian toff Kết thúc toff transistor lại dẫn dòng Phương pháp có tính bổ xung cho phương pháp thứ trình bày phần Nhược điểm phương pháp tần số băm xung không cố định trước tuỳ thuộc tải nên khó kiểm soát nhiễu so với phương pháp 4.1.2.3 Phương pháp băm xung tần số tự 63  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  Đây phương pháp băm xung đơn giản Phương pháp không yêu cầu kiểm soát tần số băm xung thời gian toff nên tần số hoạt động tuỳ thuộc vào đặc tính hệ thống Do phương pháp mang tất nhược điểm phương pháp phân tích đặc biệt nhiễu mạch gây kiểm soát được, tuỳ thuộc vào đặc tính hệ thống tốc độ hoạt động động Tuy nhiên ưu điểm phương pháp có cấu trúc mạch điều khiển đơn giản Tín hiệu phản hồi dòng điện sau qua khâu so sánh trực tiếp lệnh ON/OFF transistor Động trì dòng làm việc không đổi cấp tốc độ cho phép Cấu trúc mạch điều khiển mô tả hình 4.11 Hình 4.11: Phương pháp băm xung tần số tự 4.1.3 Thiết kế mạch điều khiển động bước 4.1.3.1 Giới thiệu IC điều khiển động bước chuyên dụng A3896 Với lý thuyết nêu ta thiết kế hoàn toàn điều khiển động bước chế độ vi bước với độ xác cao với vi bước nhỏ lên tới 1/16 bước sở (1,80) Việc dễ dàng thực với chip 16 bit mạnh mẽ dòng dsPic Microchip Tuy nhiên việc thiết kế mạch rời yêu 64  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  cầu nhiều linh kiện rời nên giá thành cao cồng kềnh việc dùng IC chuyên dụng với tạo xung so sánh chuyển đổi tương tự số AD logic số tích hợp IC A3986 hãng Allegro ví dụ điển hình A3986 IC điều khiển hai mạch cầu H công suất cấp điện cho cuộn dây động bước lưỡng cực Bipolar Nó cho phép chopper xung với điện áp lên tới 50V cầu H Việc này, phân tích trên, thuận tiện cho việc thiết kế động chạy vận tốc lớn A3986 sử dụng phương pháp băm xung thời gian Toff không đổi nhân điều khiển, có chế độ dòng điện phù hợp với từ trở loại động khác Đặc biệt có đầy đủ chế độ hoạt động đủ bước ( full step ), nửa bước ( half step ), ¼ bước ( quarter ), hay 1/16 bước ( sixteenth ) Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý tổng quát điều khiển dùng IC A3986 65  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý IC A3986 Trên sơ đồ nguyên lý hình 4.13 ta dễ dàng thấy phận mạch băm xung thời gian Toff không đổi trình bày phần Đặc biệt IC tích hợp thêm driver cho mạch cầu H phía nên tiết kiệm nhiều chi phí cho IC lái rời kích thước mạch điều khiển Mạch lái tích hợp dạng bostrap điều khiển cầu H với tốc độ cao, đóng cắt dứt khoát chế độ bão hòa nên giảm tổn hao nhiệt bán dẫn công suất Mạch cầu H phía ta dễ 66  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  dàng chọn bán dẫn công suất phù hợp với công suất động dòng tải yêu cầu IC có chức chống dòng nhiệt độ IC A3986 thực việc băm xung với thời gian Toff không đổi pha chế độ vi bước, với việc kiểm soát dòng điện qua pha tốt nhờ mạch so sánh dòng điện phản hồi với dòng tham chiếu định sẵn nhờ bảng số, lưu Rom nội chip, theo cấp dòng theo mức định cho cuộn dây pha Hình 4.14: Các mức dòng điện chế độ vi bước 1/16 67  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  4.1.3.2 Mạch điều khiển động bước thực tế Với kích thước nhỏ gọn ta dễ dàng tích hợp mạch điều khiển động cho robot board mạch nhỏ gọn Hình 4.15: Mạch nguyên lý thiết kế cho động bước Hình 4.16: Mạch layout 68  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  Hình 4.17: Mạch hoàn chỉnh thiết kế cho động bước – chạy độc lập kết nối máy tính thông qua mạch điều khiển trung tâm Kết thực nghiệm cho thấy động hoạt động xác hiệu quả, tổn thất nhiệt ít, momen giữ ổn định không đập mạch Động chuyển động êm vận tốc cao chế độ vi bước tượng giật rung Kết cho thấy mạch đáp ứng tốt yêu cầu robot với giá thành thấp Hình 4.18: Dạng sóng dòng điện pha chế độ vi bước 1/16 oscilocope 69  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  4.2 Thiết kế điều trung tâm Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến laser thông qua biến đổi AD thành tín hiệu số truyền máy tính trung tâm sử lý tìm điểm chốt nội suy thành quỹ đạo chuyển động súng hàn Sau máy tính tính toán với toán động học ngược để tìm biến khớp thời điểm Vị trí biến khớp truyền liên tục xuống điều khiển trung tâm Nó xử lý tách thành xung điều khiển thành phần cấp cho động dẫn động trục robot Bên cạnh mạch kiểm soát tín hiệu từ encoder gắn sau động gửi nhằm đảm bảo động chuyển động xác đủ hành trình, tránh bước Mạch điều khiển giao tiếp với người dùng qua bàn phím số để cài đặt tham số ban đầu cho robot 4.2.1 Vi điều khiển DsPic 30F4011 Do khối lượng sử lý thông tin lớn đồng thời yêu cầu tốc độ sử lý cao nên dòng vi điều khiển bit khó đáp ứng, luận văn chọn vi điều khiển 16 bit dòng DsPic hãng Microchip để làm nhân cho mạch Đây vi điều khiển mạnh mẽ với chức tốt dòng 16 bit với ngoại vi tích hợp phong phú mạnh mẽ MCU dsPic 30F4011 thiết kế dựa kiến trúc RISC, hoạt động dải điện áp rộng từ 2.5-5.5V, công suất thấp ,tốc độ xử cao sử dụng công nghệ CMOS, đáp ứng yêu cầu làm việc khối lượng tính toán lớn, xác cao - Tập lệnh MCU 4011 gồm 84 lệnh - Có nhớ RAM tới 2K, nhớ EPPROM 1K, nhớ Plash Program 48K, - Hoạt động chế độ nguồn dao động (External Clock) tối đa tới 30Mhz - Hoạt động chế độ dao động thạch anh tần số từ 4Hhz-10Mhz với cấp độ nhân PLL(Phase Locked Loop) 4x, 8x,16x, tùy theo thiết lập chương trình mà dao động thực đưa vào MCU lên đến 120Mhz PLL thiết lập thông qua bits FPR 70  HVTH: Trần Việt Tiến - GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  Các ngoại vi tích hợp hiệu cao chuyển đổi tương tự số AD có tần số lấy mẫu lên tới 1Mbit/s phù hợp cho việc lấy mẫu tần số cao đáp ứng tốt việc số hóa tín hiệu từ cảm biến Các PWM ( điều chế xung ) tích hợp với kênh chế độ điều khiển phong phú thuận tiện cho việc cấp xung điều khiển động cách linh hoạt Hình 4.19: Sơ đồ chân chip DsPic30F4011 dạng Dip 4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển thiết kế với đầy đủ chức đáp ứng yêu cầu robot - Dao động ngoại 7,3728MHz với chế độ PLLx16 giúp Vi điều khiển chạy mức xung nhịp tối đa 30 MIP - Cổng giao tiếp RS232 giao tiếp với PC - Các đầu vào ADC chống nhiễu - Giao tiếp bàn phím 16 phím để nhập tham số - Hiển thị trạng thái hoạt động LCD 20x4 - Các kênh PWM với IC đệm mức logic chống nhiễu điều khiển 71  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm 72  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  Hình 4.21: Sơ đồ layout mạch điều khiển trung tâm 73  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu thực luận văn “ nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động chế tạo vỏ tàu thủy ” thu số kết cụ thể sau: - Nghiên cứu tìm hiểu tổng hợp loại robot hàn di động chế tạo vỏ tàu thủy nay, chức năng, kết cấu, điều khiển - Xây dựng lý thuyết phương án mới: “tự động dò tìm quỹ đạo” cho robot loại này, sử dụng cảm biến khoảng cách laser, nhằm tiết kiệm tối đa thời gian gia công mối hàn dễ dàng việc lắp đặt hệ thống mà độ xác lại cao phương pháp thông thường Bên cạnh bổ xung thêm chức kiểm tra sơ mối hàn sau gia công - Giải toán động học, động lực học robot tìm quy luật biến khớp cho toán điều khiển robot Xây dựng thuật toán dò tìm nội suy quỹ đạo phương án đề Matlab Xây dựng thành công điều khiển động bước độ xác cao, điều khiển trung tâm kết nối với máy tính Với kết có đề xuất định hướng phát triển sau: - Tiến hành xây dựng mô hình thử nghiệm chuẩn để kiểm nghiệm độ chuẩn xác việc kết hợp kết của luận văn - Việc xử lý tín hiệu với Matlab gặp đôi chút vấn đề quyền phần mềm phức tạp việc thống chung phần mềm điều khiển Do kiến nghị dùng thuật toán có luận văn xây dựng phần mềm xử lý độc lập với chức tương đương ngôn ngữ lập trình khác ví dụ C với phiên miễn phí từ Microsoft - Xây dựng thư viện chế độ hàn cho robot thông qua việc dò biên dạng mặt cắt vật hàn giúp đơn giản cho người sử dụng giảm thiểu thời gian lắp đặt robot 74  HVTH: Trần Việt Tiến GVHD: PGS.TS Trần Đức Trung  TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Khang (2003) Cơ sở học kỹ thuật (Tập I, II) & Động lực học hệ nhiều vật - NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Thiện Phúc (2002) Robot công nghiệp - NXB Khoa học kỹ thuật Phan Bùi Khôi Khảo sát động lực học rô bốt Tác hợp gia công Tuyển tập báo cáo “Hội nghị Cơ học toàn quốc”, 4/2004, tập 1: “Động lực học kỹ thuật”, tr.181-190 Nguyễn Phùng Quang (2005) Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động – NXB khoa học kỹ thuật Nguyễn Quang Hùng, Trần Ngọc Bình (2004) Động bước kỹ thuật điều khiển ứng dụng – NXB khoa học kỹ thuật Nguyễn Hoàng Thao, Nguyễn Ngọc Thiều (2009) Thiết kế hệ điều khiền Servo động điện Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Jan Axelson (2007) Serial Port Complete Second Edition – Micro Engineering Labs, Inc 75  ... thạc sỹ là: “ nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy ” Mục tiêu đề tài nghiên cứu thiết kế xây dựng chiến lược điều khiển cho robot hàn di động dạng tự hành chuyên... kỹ thuật robot hàn thông số đường hàn 12  1.2 Giới thiệu robot hàn đường công nghiệp đóng tàu 13  1.2.1 Robot hàn tự hành bán tự động chạy ray dẫn 13  1.2.2 Robot hàn tự hành tự động hoàn... PGS.TS Trần Đức Trung  LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn đề tài: “ Nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động chế tạo vỏ tàu thủy ” tự thực hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Trần Đức Trung Các số liệu