Thiết kế chế tạo và thực nghiệm robot hàn dùng hàn mối hàn fóc phục vụ công nghiệp đóng tàu

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học :Tiến sĩ Nguyễn Tấn Tiến Cán chấm nhận xét :PGS.TS Lê Hoài Quốc Cán chấm nhận xét :Tiến Sĩ Trần Thiên Phúc Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 30 tháng 12 năm 2006 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 20 tháng năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên: PHẠM VĂN THẮNG Phái: nam Ngày, tháng, năm sinh: 09 – 06 – 1978 Nơi sinh: NAM ĐỊNH Chuyên ngành: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MSHV: 00404089 I - TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ROBOT HÀN DÙNG HÀN MỐI HÀN GĨC PHỤC VỤ CƠNG NGHIỆP ĐĨNG TÀU II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát tổng quan xát định toán - Đề xuất lựa chọn phương án khả thi - Thiết kế hệ thống: Thiết kế phần cơ, thiết kế phần điều khiển,… - Tiến hành thí nghiệm, kiểm chứng lý thuyết thực tế III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20 – 01 – 2006 IV - NGÀY HÒAN THÀNH NHIỆM VỤ : 30 – 11 – 2006 V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến sĩ NGUYỄN TẤN TIẾN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sỹ Hội Đồng Chuyên Ngành thơng qua Ngày 30 tháng 11 năm 2006 PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Tấn Tiến, người định hướng, tận tình hướng dẫn tạo điều kiện để tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin cảm ơn thầy TS Bùi Trọng Hiếu giúp đỡ suốt trình thực luận văn Tơi xin cảm ơn bạn kỹ sư làm việc phịng thí nghiệm Thiết Kế Máy, Khoa Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh: Đinh Quang Trường, Thái Nguyễn Nhật Điền, Bùi Văn Phước, Nguyễn Bùi Thanh Thiên, Phạm Hồng Thơm Các bạn giúp đỡ hỗ trợ tơi nhiệt tình q trình nghiên cứu đề tài Tôi xin cảm ơn đồng nghiệp tơi khoa Cơ Khí trường Đại Học Dân Lập Cơng Nghệ Sài Gịn, ln tạo điều kiện thuận lợi động viên tơi suốt q trình thực luận văn Sau xin cảm ơn gia đình bạn bè thân thuộc ln ủng hộ, động viên giúp đỡ sống Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tháng 12 – 2006 Phạm Văn Thắng TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn thiết kế, chế tạo thực nghiệm robot hàn di động Robot ứng dụng công nghiệp đóng tàu để thực mối hàn góc có quỹ đạo đường thẳng mặt phẳng nằm ngang Trong luận văn có hai mô hình robot hàn di động thiết kế chế tạo • Mô hình robot hàn di động bốn bánh: Robot có bốn bánh xe dẫn động động cơ, cần mang đầu đuốc hàn đặt robot di trượt • Mô hình robot hàn di động hai bánh: Robot có hai bánh dẫn cần mang đầu đuốc hàn gắn cố định thân robot Các phương án thiết kế khí đưa mô hình robot hàn di động hướng đến mục tiêu: Làm cho robot nhỏ gọn, kết cấu đơn giản lại có khả thực chức đề cách hiệu Các điều khiển mô hình robot thiết kế dựa tiêu chí đơn giản lại có độ xác cao khả đáp ứng nhanh Tính khả thi phương án thiết kế khí điều khiển kiểm chứng mô thực nghiệm MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn thạc sỹ Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn Mục lục Danh mục hình ảnh Mở đầu 11 Giải thích ký hiệu 12 Chương 1: Tổng quan 14 1.1 Khái qt chung cơng nghệ đóng tàu 14 1.2 Tình hình nghiên cứu áp dụng tự động hóa cơng đoạn hàn cơng nghệ đóng tàu giới 16 1.2.1 Một số cơng trình nghiên cứu 16 1.2.2 Các sản phẩm ứng dụng sản xuất 16 1.3 Tình hình nghiên cứu áp dụng tự động hóa cơng đoạn hàn cơng nghệ đóng tàu Việt Nam 22 1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu 22 1.3.2 Các ứng dụng thực tế sản xuất 22 1.4 Khảo sát điều kiện thực tế yêu cầu cụ thể mối hàn góc q trình lắp ráp khung xương 23 1.4.1 Nhu cầu thực tế 23 1.4.2 Tìm hiểu điều kiện thực tế yêu cầu cụ thể mối hàn 24 1.4.3 Vấn đề giải luận văn 25 Chương 2: Lựa chọn phương án khả thi 26 2.1 Phân tích lựa chọn phương án khả thi 26 2.1.1 Phân tích lựa chọn phương pháp phát quỹ đạo hàn 26 2.1.2 Phân tích lựa chọn phương án mang đầu đuốc hàn 32 2.2 Nội dung luận văn 35 Chương 3: Giải pháp đề nghị 1: Robot hàn di động bốn bánh 36 3.1 Giới thiệu 36 3.2 Thiết kế khí 36 3.2.1 Cấu trúc mơ hình robot bốn bánh 36 3.2.2 Thiết kế đế di động 36 3.2.3 Thiết kế bàn trượt 38 3.3 Thiết kế mạch điện 41 3.3.1 Cấu trúc điều khiển 41 3.3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: 42 3.3.3 Mạch điều khiển thực tế sử dụng robot 43 3.4 Thiết kế điều khiển 43 3.4.1 Mơ hình hóa hệ thống 43 3.4.2 Thiết kế điều khiển 45 3.5 Thực nghiệm 47 3.5.1 Tiến hành thực nghiệm phịng thí nghiệm 47 3.5.2 Tiến hành thực nghiệm Cơng Ty Cơng Nghiệp Tàu Thủy Sài Gịn 49 3.5.3 Kết kiểm tra mối hàn Trung tâm hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh thực 50 3.6 Kết luận 51 Chương 4: Giải pháp đề nghị 2: Robot hàn di động hai bánh dẫn 52 4.1 Giới thiệu 52 4.2 Thiết kế khí 52 4.2.1 Cấu trúc mơ hình robot hai bánh 52 4.2.2 Thiết kế đế di động 52 4.3 Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển 56 4.3.1 Cấu trúc mạch điện 56 4.3.2 Mạch điều khiểm thực tế sử dụng robot 57 4.3.3 Sơ đồ mạch điều khiển 58 4.4 Thiết kế điều khiển 59 4.4.1 Mơ hình hóa robot 59 4.4.2 Thiết kế điều khiển 62 4.5 Kết mô thực nghiệm 64 4.5.1 Kết mô phần mềm Matlap 64 4.5.2 Kết thực nghiệm 66 4.5.2 Kết kiểm tra mối hàn Trung tâm hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh thực 68 4.6 Kết luận 68 Chương 5: Kết luận 69 Tài liệu tham khảo 70 Phụ lục 73 Phụ lục A: Nội dung báo khoa học đăng Phụ lục B: Tìm hiểu phương pháp qui cách hàn sử dụng cơng nghiệp đóng tàu Phụ lục C: Thiết kế phận kẹp tạo chuyển động công nghệ cho đầu hàn Phụ lục D: Hình vẽ tổng thể robot hàn di động bốn bánh Phụ lục E: Hình vẽ tổng thể robot hàn di động hai bánh Phụ lục F: Lưu đồ giải thuật điều khiển robot hàn di động bốn bánh Phụ lục G: Chương trình điều khiển robot hàn di động bốn bánh Phụ lục H: Chương trình điều khiển robot hàn di động hai bánh DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Q trình lắp ráp thân tàu Hình 1.2 Qui trình chế tạo tàu thủy Hình 1.3 Dùng robot cần trục hàn khung x ương Hình 1.4 Ứng dụng robot Pema lắp ráp phân đoạn thẳng Phần Lan Hình 1.5 Ứng dụng robot cần trục công ty Ando Automation AB chế tạo lắp ghép phân đoạn khối Hình 1.6 Mơ hình Robot ROWER khoa khí trường đại học Lund, Thủy Điển Hình 1.7 Ứng dụng cánh tay robot hàn lắp khối 3D cơng ty đóng tàu Daewoo Hình 1.8 Mơ hình mơ robot DOCKWELDER trung tân nghiên cứu Châu Âu Xe hàn bán tự động công ty BUGO – Mỹ chế tạo Hình 1.9 Hình 1.10 Robot SR-MARK II dùng cơng đoạn tự động hóa hàn khắc dấu chữ vỏ tàu Hình 1.11 Ứng dụng xe hàn bán tự động Công Ty Công Nghiệp Tàu Thủy Sài Gịn Hình 1.12 Một số hình ảnh khảo sát cơng ty Cơng Nghiệp Tàu Thủy Sài Gịn Hình 1.13 Các mối hàn thẳng cơng nghiệp đóng tàu Hình 1.14 Các dạng đà dùng tăng cường độ cứng Hình 2.1 Xác định quỹ đạo hàn sử dụng cảm biến tiếp xúc Hình 2.2 Nguyên lý xác định quỹ đạo hàn dùng cảm biến dịng Hình 2.3 Các phương pháp tạo dao động phương pháp dùng cảm biến dịng Hình 2.4 Ngun lý phép đo tam giác cảm biến quang học Hình 2.5 Phương pháp quét chùm laser (laser scanning) Hình 2.6 Phương pháp đo chiều dùng cảm biến quang học Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý phương án dùng robot dạng cần trục Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý phương án dùng xe hàn chạy ray dẫn hướng đặt song song với đường hàn Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý dùng robot hàn di động Hình 3.1 Cấu trúc mơ hình robot bốn bánh Hình 3.2 Sơ đồ động dùng truyền bánh Hình 3.3 Sơ đồ động dùng truyền bánh vít – trục vít Hình 3.4 Dạng truyền động hai trục dẫn động Hình 3.5 Mơ hình 3D đế robot di động bốn bánh Hình 3.6 Các phương pháp dẫn động cho trục vít Hình 3.7 Sơ đồ ngun lý bàn trượt Hình 3.8 Mơ hình 3D bàn trượt Hình 3.9 Mơ hình 3D robot hàn di động bốn bánh Hình 3.10 Cấu trúc mạch điện điều khiển robot hàn di động bốn bánh Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm robot Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý khối cơng suất Hình 3.13 Mạch điện sử dụng thực tế robot Hình 3.14 Mơ hình động học robot di động bốn bánh Hình 3.15 Phương pháp PWM Hình 3.16 Bộ điều khiển servo vận tốc đế di động Hình 17 Bộ điều khiển servo vị trí bàn trượt Hình 3.18 Robot hàn di động bốn bánh thử nghiệm phịng thí nghiệm Hình 3.19 Mối hàn đường Hình 3.20 Mối hàn đoạn Hình 3.21 Mối hàn điểm Hình 3.22 Robot thử nghiệm Cơng Ty Cơng Nghiệp Tàu Thủy Sài Gịn Hình 3.23 Kết đường hàn robot thực cabin tàu Hình 4.1 Cấu trúc robot hàn di động hai bánh Hình 4.2 Sơ đồ đế robot dùng hai bánh dẫn lăn tự lựa Hình 4.3 Sơ đồ bố trí bánh xe robot phương án Hình 4.4 Sơ đồ bố trí bánh xe robot phương án Hình 4.5 Sơ đồ truyền động cho bánh xe robot Hình 4.6 Mơ hình 3D đế robot hàn di động hai bánh Hình 4.7 Mơ hình 3D robot hàn di động hai bánh Hình 4.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển robot hàn di động bánh Hình 4.9 Board mạch tích hợp vi điều khiển PIC18F458 PIC16F877 Hình 4.10 Sơ đồ mạch điều khiển robot Hình 4.11 Mơ hình động học robot hàn di động hai bánh xe Hình 4.12 Sơ đồ tính vận tốc hai bánh xe Hình 4.13 Cấu trúc điều khiển mờ cho robot Hình 4.14 Tập mờ cho biến sai số e Hình 4.15 Tập mờ cho tốc độ biến thiên sai số de Hình 4.16 Tập mờ cho biến đầu ΔVR Hình 4.17 Sơ đồ Simulink mô đáp ứng điều khiển mờ Hình 4.18 Đáp ứng điều khiển mờ Hình 4.19 Kết mơ robot bám theo biên dạng cong Hình 4.20 Thời gian đáp ứng điều khiển mờ mơ hình thực nghiệm Hình 4.21 Robot hàn thực nghiệm PTN Hình 4.22 Đường hàn thực nghiệm 10 Hình Giải thuật module hàn đường 94 Hình Giải thuật module hàn đoạn 95 Hình Giải thuật module hàn điểm 96 Hình Giải thuật module điều khiển bàn trượt 97 Điều khiển động Vận tốc đặt=0 Tắt động Đọc số xung encoder Tính vận tốc Tính sai số vận tốc Tính giá trị PWM xuất cho LMD 18200 Trở Hình Giải thuật điều khiển động 98 Điều khiển phận lắc Đọc giá trị cảm biến góc Giới hạn dưới 4mhz) #FUSES NOPUT //No Power Up Timer #FUSES NOPROTECT //Code not protected from reading #FUSES BROWNOUT //Reset when brownout detected #FUSES LVP //Low Voltage Programming on B3(PIC16) or B5(PIC18) #FUSES NOCPD //No EE protection #FUSES NOWRT //Program memory not write protected #FUSES NODEBUG //No Debug mode for ICD #use delay(clock=20000000) #use rs232(baud=56000,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7) #define DT 10 #define DIR PIN_C5 // slider direction #define ENA PIN_E2 // slider enable #define MDIR PIN_A5 // motor direction #define MENA PIN_E1 // motor enable #define DIRECTION PIN_D0 #define START PIN_D1 #define STOP PIN_D2 signed int16 setPoint = 320,setpositionref=0; signed int16 position1,position2,setposition1; signed int16 pwm2=0; signed int16 err=0,errref=0,errr=0; float sum=0; float inSpeed1 = 0; int l=0; int k =100; int kd = 1; int run = 0; #include void reset() 100 { set_adc_channel(1); delay_us(100); position2 = read_adc(); err = setPoint - position2; while ((err>2)||(err0) { output_low(ENA); output_low(DIR); output_high(ENA); } if (err 1023 ? 1023 : pwm2; pwm2 = pwm2 < 300 ? 300 : pwm2; set_pwm2_duty(pwm2); position2 = read_adc(); err = setPoint - position2; // printf("P= %ld\r",position2); //printf("E= %ld\r",err); delay_ms(3); } output_low(ENA); } void main() { setup_adc_ports(RA0_RA1_RA3_ANALOG); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_256); setup_timer_1(t1_EXTERNAL | t1_div_by_1); setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,255,1); ext_int_edge(0,H_TO_L); enable_interrupts(int_rtcc); 101 enable_interrupts(global); setup_ccp1(ccp_pwm); set_pwm1_duty(0); setup_ccp2(ccp_pwm); set_pwm2_duty(0); delay_ms(1000); reset(); while (1) { output_low(ENA); output_low(MENA); set_adc_channel(0); delay_us(100); setposition1 = read_adc(); printf("setposoition1= %ld\r",setposition1); if(input(start) == 0) run = 1; while (run) { set_adc_channel(0); delay_us(100); position1 = read_adc(); errr = setposition1 - position1; printf("position1= %ld\r",position1); output_high(ENA); if(errr 1023 ? 1023 : pwm2; pwm2 = pwm2 < (int16)(250) ? (int16)(250) : pwm2; set_pwm2_duty(pwm2); err_last = errr; set_adc_channel(1); delay_us(100); position2 = read_adc(); if((position2>505)||(position2 1000 ? 1000 : inSpeed1); inSpeed1 = inSpeed1/100; l = 0; // printf("v= %f\r",inSpeed1); } controlRobotSpeed(inSpeed1) ; delay_ms(10); l++ ; if(input(stop)==0) run=0; } delay_ms(10); } }#device PIC16F877 *=16 ADC=10 #include #include #FUSES NOWDT #FUSES HS #FUSES NOPUT #FUSES NOPROTECT #FUSES BROWNOUT #FUSES LVP B5(PIC18) #FUSES NOCPD #FUSES NOWRT #FUSES NODEBUG //No Watch Dog Timer //High speed Osc (> 4mhz) //No Power Up Timer //Code not protected from reading //Reset when brownout detected //Low Voltage Programming on B3(PIC16) or //No EE protection //Program memory not write protected //No Debug mode for ICD #use delay(clock=20000000) #use rs232(baud=56000,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7) #define DT 10 #define DIR PIN_C5 // slider direction #define ENA PIN_E2 // slider enable #define MDIR PIN_A5 // motor direction #define MENA PIN_E1 // motor enable #define DIRECTION PIN_D0 103 #define START #define STOP PIN_D1 PIN_D2 signed int16 setPoint = 320,setpositionref=0; signed int16 position1,position2,setposition1; signed int16 pwm2=0; signed int16 err=0,errref=0,errr=0; float sum=0; float inSpeed1 = 0; int l=0; int k =100; int run = 0; #include void reset() { set_adc_channel(1); delay_us(100); position2 = read_adc(); err = setPoint - position2; while ((err>2)||(err0) { output_low(ENA); output_low(DIR); output_high(ENA); } if (err 1023 ? 1023 : pwm2; pwm2 = pwm2 < 300 ? 300 : pwm2; set_pwm2_duty(pwm2); position2 = read_adc(); err = setPoint - position2; // printf("P= %ld\r",position2); //printf("E= %ld\r",err); delay_ms(3); 104 } output_low(ENA); } void main() { setup_adc_ports(RA0_RA1_RA3_ANALOG); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_256); setup_timer_1(t1_EXTERNAL | t1_div_by_1); setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,255,1); ext_int_edge(0,H_TO_L); enable_interrupts(int_rtcc); enable_interrupts(global); setup_ccp1(ccp_pwm); set_pwm1_duty(0); setup_ccp2(ccp_pwm); set_pwm2_duty(0); delay_ms(1000); reset(); while (1) { output_low(ENA); output_low(MENA); set_adc_channel(0); delay_us(100); setposition1 = read_adc(); printf("setposoition1= %ld\r",setposition1); if(input(start) == 0) run = 1; while (run) { set_adc_channel(0); delay_us(100); position1 = read_adc(); 105 errr = setposition1 - position1; printf("position1= %ld\r",position1); output_high(ENA); if(errr 1023 ? 1023 : pwm2; pwm2 = pwm2 < (int16)(250) ? (int16)(250) : pwm2; set_pwm2_duty(pwm2); set_adc_channel(1); delay_us(100); position2 = read_adc(); if((position2>505)||(position2 1000 ? 1000 : inSpeed1); inSpeed1 = inSpeed1/100; l = 0; // printf("v= %f\r",inSpeed1); } controlRobotSpeed(inSpeed1) ; delay_ms(10); l++ ; if(input(stop)==0) run=0; } delay_ms(10); } } 106 * Mô đun điều khiển động cơ* #define Kp 0.19 int16 pwm = 0; // pwm duty float pwm1 = 0; float err1 = 0; float cur=0; float err_last = 0; int scount=0; float xung1=0; #int_rtcc void timer0() { scount++; if (scount==2) { xung1 = (float)get_timer1(); scount=0; set_timer1(0); } set_timer0(60); } void controlRobotSpeed(float speed) { float temp; float xungmotor; xungmotor = (float) (speed *2.75); if (speed==0) { output_low(MENA); } else { err1 = xungmotor - xung1; temp = Kp*err1; pwm1 +=temp; // printf("Xungmotor = %f\n\r",pwm1); pwm1 = (pwm1 1023 ? 1000 : pwm1); 107 pwm = ( int16)(pwm1); // printf("Xungmotor = %ld\n\r",pwm); set_pwm1_duty(pwm); output_bit(MDIR, !input(DIRECTION)); output_high(MENA); cur = (float)(xung1/2.75); // printf("Cur = %f\n\r",cur); } } 108 ... Chuyên ngành: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MSHV: 00404089 I - TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ROBOT HÀN DÙNG HÀN MỐI HÀN GÓC PHỤC VỤ CƠNG NGHIỆP ĐĨNG TÀU II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Khảo sát... văn thiết kế, chế tạo thực nghiệm robot hàn di động Robot ứng dụng công nghiệp đóng tàu để thực mối hàn góc có quỹ đạo đường thẳng mặt phẳng nằm ngang Trong luận văn có hai mô hình robot hàn. .. Cơng Nghiệp Tàu Thủy Sài Gịn Hình 3.22 Robot thử nghiệm Công Ty Công Nghiệp Tàu Thủy Sài Gịn 49 Hình 3.23 Kết đường hàn robot thực cabin tàu Nhận xét: Chất lượng mối hàn robot thực tốt nên công