Nghiên cứu điều khiển robot hàn đường cong 2d

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN VĂN DUY PHÚC NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN ĐƯỜNG CONG 2D Chuyên ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6-2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN … ………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………… ………………………… …………………………………………………………… …………………… ……………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1:………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………… … ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… … Cán chấm nhận xét 2: … ………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………… … ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… … Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , ngày … tháng… năm 2008 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO –HẠNH PHÚC Tp HCM ,ngày tháng năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : NGUYỄN VĂN DUY PHÚC Phái : NAM Ngày ,tháng ,năm sinh : 22 – 11 – 1983 Nơi sinh : ĐAKLAK Chuyên ngành : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MSHV : 00406068 I TÊN ĐỀ TÀI :NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN ĐƯỜNG CONG 2D II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nghiên cứu điều khiển robot hàn di động sử dụng cảm biến tiếp xúc có hồi tiếp vận tốc a Mơ hình hóa b Thiết kế luật điều khiển c Mô Thực nghiệm kiểm chứng III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH PGS.TS NGUYỄN TẤN TIẾN Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày ….tháng ….năm 2008 TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến tận tình hướng dẫn định hướng cho học viên trình thực luận văn Cảm ơn đồng phịng thí nghiệm Bộ mơn Thiết kế máy hợp tác hỗ trợ tơi qúa trình làm mơ hình tiến hành thực nghiệm Đồng cảm ơn q thầy giảng viên tồn thể bạn lớp CK2006 giúp tơi suốt khóa học Tơi xin bày tỏ lịng tri ân tới ban lãnh đạo tồn thể đồng nghiệp cơng ty Nhựa Duy Tân, nơi công tác, dành ưu tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khố học Sau cùng, xin cảm ơn ba má toàn thể gia đình ln ln chia sẽ, động viên tinh thần tạo điều kiện để có kết ngày hơm Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2008 NGUYỄN VĂN DUY PHÚC TĨM TẮT LUẬN VĂN Nhiệm vụ luận văn khảo sát phương án điều khiển ứng dụng robot hàn di động việc hàn đường cong 2D chưa xác định, qua kế thừa ưu điểm đề xuất giải pháp điều khiển nhằm mục tiêu cải thiện chất lượng mối hàn, cụ thể giảm thiểu sai lệch khoảng cách củng cố độ ổn định vận tốc hàn  Phần nghiên cứu khảo sát giới thiệu trạng nghiên cứu robot hàn di động số nước tiên tiến, đồng thời trình bày sơ lược giải pháp kết tương ứng nghiên cứu tác giả nước toán hàn tự động dùng robot di độngs  Phần đề xuất giải pháp giới thiệu kết cấu cảm biến có hồi tiếp sai số vận tốc điều khiển phối hợp hai dạng điều khiển điều khiển mờ điều khiển PID để tính tốn giá trị vận tốc hai bánh xe nhằm đảm bảo đầu hàn di chuyển bám sát biên dạng đường hàn với vận tốc ổn định Bộ điều khiển mơ máy tính nhờ phần mềm Matlap để kiểm nghiệm tính khả thi Sau tiến hành hàn thực nghiệm mơ hình thực để kiểm chứng độ xác tính ổn định điều khiển đề xuất Abstract This essay shows some popular solutions for controlling welding mobile robot and then, presents another method to control a two-wheeled welding mobile robot (TWMR) that satisfies the requirement of welding process is keeping a specified constant welding speed and distance to the wall  The first part of the essay introduces the need of using welding robots, some famous welding robot manufacturers on the world and shows overview some basic reseaches about welding robot have been done by scientistes inside and outside of Vietnam  The second part presents a new method in controlling welding mobile robot The controller combines Fuzzy controller and PID controller The Fuzzy controller is designed to keep a constant distance and the PID controller is designed to keep a constant welding velocity Not only distance errors but also the errors of speed in welding process is measured and feedbacked to the controller The controller will drive the errors to zero as fast as desire The simulation and experimental result is included to illustrate the performance of the proposed controller MỤC LỤC BÌA LUẬN VĂN………………………………………………………………1 NHẬN XÉT…………………………………………………….…………… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN……………………………………………… ……3 LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………4 TÓM TẮT LUẬN VĂN………………………………………………………5 MỤC LỤC……………………………………………………………….….…7 DANH MỤC HÌNH ẢNH………………………………………………….…9 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HÀN TỰ ĐỘNG TRONG CÔNG NGHIỆP 11 1.1 Nhu cầu ứng dụng hàn tự động công nghiệp 11 1.2 Thực trạng nghiên cứu robot hàn di động 13 1.2.1 Thực trạng nghiên cứu giới: 13 1.2.2 Thực trạng nghiên cứu Việt Nam: 16 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN CÓ HỒI TIẾP VẬN TỐC 24 2.1 Mục tiêu 24 2.2 Mơ hình hố hệ thống 24 2.2.1 Mơ hình xe hàn phương án bố trí cảm biến 24 2.2.2 Xây dựng mơ hình tốn 26 2.3 Xây dựng luật điều khiển mô 28 2.3.1 Xây dựng luật điều khiển .28 2.3.2 Kết mô 32 2.4 Thực nghiệm 35 2.4.1 Giới thiệu thiết bị thực nghiệm 35 2.4.2 Chương trình triển khai luật điều khiển 40 2.4.3 Kết thực nghiệm 43 CHƯƠNG KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC………………………………………………….………………… 50 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Robot hàn hãng Fanuc Hình 1.2 Robot hàn kiểu giàn treo Hình 1.3 Robot hàn di động bánh xe Hình 1.4 Robot hàn ROWER Hình 1.5 Robot hàn đường thẳng Hình 1.6 Robot hàn dùng cảm biến camera Hình 1.7 Robot hàn dùng điều khiển mờ Hình 1.8 Ngun lý dị đường hàn cảm biến dịng hàn Hình 2.1 : Mơ hình bố trí cảm biến Hình 2.2 : Mơ hình xác định vận tốc Hình 2.3 : Trình tự tính tốn vận tốc bánh xe Hình 2.4: Bộ điều khiển mờ Hình 2.5: Hàm liên thuộc cho biến ngơn ngữ Hình 2.6: Phương pháp giải mờ trọng tâm Hình 2.7: Mơ hình điều khiển dùng mơ Hình 2.8: Biên dạng đường hàn đường hàn mơ Hình 2.9 : Sai số khoảng cách mơ Hình 2.10: Sai số vận tốc mơ Hình 2.11 Mơ hình robot hàn dùng thực nghiệm Hình 1.12 Sơ đồ tổng thể robot di động Hình 2.13 : Mơ hình cảm biến thực nghiệm Hình 3.14 : Cảm biến dùng thực nghiệm Hình 2.15: Mạch điều khiển Hình 2.16: Mạch cơng suất cho động Hình 2.17: Lưu đồ giải thuật cho Master Hình 2.18: Lưu đồ giải thuật cho Slave Hình 2.19: Chi tiết hàn thực nghiệm Hình 2.20: Đồ thị sai số khoảng cách thực nghiệm Hình 2.21: Đồ thị sai số vận tốc thực nghiệm GIẢI THÍCH CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Mô tả Đơn vị C Tâm robot W Điểm đầu hàn R Điểm đường tham chiếu O Tâm lăn cảm biến đo vận tốc  Góc nghiêng hướng robot [rad] r Góc nghiêng phương đường hàn điểm tham chiếu [rad] w Góc nghiêng phương di chuyển đầu hàn [rad] v Vận tốc tâm robot [m/s] vw Vận tốc điểm đầu hàn [m/s] vr Vận tốc yêu cầu điểm đầu hàn [m/s] ω Vận tốc gốc tâm robot [rad/s] ωrw, ωlw Vận tốc góc bánh phải bánh trái [rad/s] r Bán kính bánh xe chủ động robot [m] b Khoảng cách từ tâm đến bánh xe chủ động [m] d0 Chiều dài đuốc hàn [m] rs Bán kính lăn cảm biến tiếp xúc [m] h Khoảng cách từ phương đuốc hàn đến trục bánh xe chủ động [m] 10 v  du dt Hình 14 : Sơ đồ điều khiển đề nghị Bộ điều khiển PID có đầu vào vận tốc hàn mong muốn đầu vận tốc dài tâm, v Các hệ số Kp, Ki, Kd xác định từ thực nghiệm Bộ điều khiển fuzzy có đầu vào sai số khoảng cách, e, đạo hàm nó, de Đầu điều khiển vận tốc góc tâm robot,  Các hàm liên thuộc luật hợp thành điều khiển fuzzy cho sau:  Hình 15 : Hàm liên thuộc biến đầu vào đầu điều khiển fuzzy (a) sai số khoảng cách, (b) đạo hàm sai số khoảng cách, (c )vận tốc góc Bảng 2: Luật điều khiển 65 e NS ZE PS PB N PB PS Z PB PS P PB PS Trong đó: N-negative; Z-zero; P-positive PS ZE NS NS NS NS NB NB NB de NB Ze-zero; PB-positive big; PS-positive small; NB-negative big; NS-negative small Kết mô thực nghiệm (a) (b) Hình 16 : Đường hàn tham khảo robot thực nghiệm (a)đường hàn, (b) robot hàn Để đánh giá chất lượng điều khiển, mô thực nghệm thực số tham số điều khiển có giá trị sau: khoảng cách từ tâm robot đến bánh xe: b  105 mm , bán kính bánh xe r  25 mm , vận tốc hàn mong muốn v  7.5 mm / s khoảng cách từ robot đến tường mong muốn d  240 mm Hình 17 : Sơ đồ mơ matlab Hình 18 : Kết mô khả bám tường 66 Hình 19 : Sai số khoảng cách mơ thực nghiệm Hình 20 : vận tốc hàn mơ thực nghiệm Hình 21 : So sánh hai điều khiển có khơng có hồi tiếp vận tốc điểm hàn 67 Để so sánh điều khiển đề nghị với điều khiển mà Đinh Quang Trường thiết kế trước [3] ( điều khiển khơng có thơng tin hồi tiếp vận tốc điểm hàn) Robot điều khiển theo mơ hình Trường tiến hành thực nghiệm đường hàn tham khảo cho kết Hình11 Hình 222 : Robot hàn thực nghiệm chi tiết hàn Từ kết mô thực nghiệm ta rút số kết luận sau:  Bộ điều khiển đề nghị giúp Robot hàn có khả bám theo đường hàn cong trơn với sai số khoảng cách đủ nhỏ ( |e|< 0.2 mm)  Bằng cách thêm thông tin phản hồi vận tốc điểm hàn khâu hiệu chỉnh PID, robot hàn đường cong với độ cong lớn khó, Điều mà mơ hình trước khơng làm  Kết thực nghiệm cho thấy khả ứng dụng vào thực tế robot Tài liệu tham khảo: [1] Trong Hieu Bui, Control of Two-Wheeled Welding Mobile Robots for Tracking Smooth Curved Welding Path, Thesis for the Degree of Doctor of Philosophy, Pukyong National University, Korea, 2004 [2] Nguyễn Tấn Tiến, Chung Tấn Lâm, Điều khiển robot di động theo dấu tường, Tạp chí Khoa học Công nghệ Trường Đại học Kỹ thuật, [3] Phạm Văn Thắng, Nguyễn Bùi Thanh Thiên, Đinh Quang Trường, Bùi Trọng Hiếu, Nguyễn Tấn Tiến, Nghiên cứu áp dụng điều khiển mờ điều khiển robot hàn, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM2006, Hà Nội, 2006 [4] Phạm Ngọc Hân, Thái Nguyễn Nhật Điền, Bùi Trọng Hiếu, Nguyễn Tấn Tiến, Nghiên cứu sử dụng Pic16F877 Điều khiển xe hàn di động, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM2006, Hà Nội, 2006 68 PHỤ LỤC Chương trình điều khiển cho chíp xử lý trung tâm #include #fuses NOWDT, PUT, NOPROTECT, HS, NOLVP, MCLR, SSP_RD #device *=16 adc=10 #use delay(clock=20000000) #use rs232(baud=57600, xmit=PIN_C6, rcv=PIN_C7) #include int1 run,back; float v0,vel,v0_adp; float d0,dt; float err,err_before,err_dot; //distance's error float omega; float vl,vr; signed int16 vl_new,vr_new; signed int16 soxung; #include #include #include #include #include #INT_TIMER1 void ngat() //thoi gian lay mau = 10ms { set_timer1(0xB6C1); soxung =Read_QEI(); } void main() { Init_QEI(); Init_keyPress(); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); set_adc_channel(0); SETUP_TIMER_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8); set_timer1(0xB6C1); //(FFFF-F3CA)*8*(4/20000000) = ms //E795_10ms bdb_100ms CF2B_20ms B6C1_30ms enable_interrupts(INT_TIMER1); 69 enable_interrupts(GLOBAL); run=0; back=1; d0=read_adc(); //Main Loop while(true) { if (!run) { write_I2C(5000,5000); //dieu kien stop d0=read_adc(); v0=0; } else { dt=read_adc(); //current distance err_before=err; err=((d0-dt)*6*pi)/1024; //convert to mm with adc_10bit err_dot=err-err_before; omega=fuzzy_ctrl(err,err_dot)*20; //20 la he so khuech dai // -v0=6; vel =soxung*0.189; //van toc han mm/s 30_0.189 20_0.284 v0_adp=cal_pid(); // vl=v0_adp+omega; vr=v0_adp-omega; // vl=v0+omega*2.4; // vr=v0+omega; vl_new=(signed int16)(vl*68.75); vr_new=(signed int16)(vr*68.75); write_I2C(vl_new,vr_new); printf(" %f",vel); } } } Chương trình thực hàm Fuzzy float min(float x1,float x2) { float min; if (x1>=x2) 70 min=x2; else min=x1; return min; } float max(float x1,float x2) { float max; if (x1>=x2) max=x1; else max=x2; return max; } float trimf(float x,float a,float b,float c) { float trimf; trimf = max(min((x - a) / (b - a), (c - x) / (c - b)), 0); return trimf; } float lsh(float x,float b,float c) { float lsh; lsh = max(min(1, (c - x) / (c - b)), 0); return lsh; } float rsh(float x,float a,float b) { float rsh; rsh = max(min((x - a) / (b - a), 1), 0); return rsh; } float Fuzzy_ctrl(float e,float de) { float delta_v; //Fuzzy output float NBe,NSe,Ze,PSe,PBe; //ham lien thuoc cho bien e float Pde,Zde,Nde; //ham lien thuoc cho bien de float r1,r2,r3,r4,r5,A1,A2,A3,A4,A5; //luat hop 71 //tinh toan centroid // -if (e=-1)&(e=-0.5)&(e=0.5)&(e20) control_value=20; else if(control_value