(Luận văn thạc sĩ) thiết kế chế tạo thử nghiệm robot hàn tự động nhận diện mối hàn

BỘ 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 S K C 0 9 NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2011 BỘ 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 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10(2011 LÝ 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 riêng địa liên lạc: Khu tập thể gia đình Vùng Hải Quân, Cam Nghĩa – Cam Ranh – Khánh Hòa Điện thoại quan: Điện thoại riêng: 0987627880 Fax: E-mail: mtruong712@gmail.com II Q 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 môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 1/2009 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Người hướng dẫn: III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 4/2009 đến Nơi công tác Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng i Công việc đảm nhiệm Giảng viên LỜI CAM ĐOAN  Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu  Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011 (Ký tên ghi rõ họ tên) Phạm Mạnh Trường ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu chương trình đào tạo sau đại học trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM, em tiếp thu đúc kết nhiều kiến thức bổ ích cho chun mơn Với đề tài nghiên cứu hình thức luận văn thạc sỹ, em vận dụng kiến thức học để giải vấn đề thực tế Đề tài nghiên cứu giải vấn đề lĩnh vực hàn tự động, lần tiếp xúc nên em gặp nhiều khó khăn Với hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn TS Lê Chí Cương với hỗ trợ gia đình, bạn bè Cho đến thời điểm luận văn em đạt kết 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 sư phạm kỹ thuật TP HCM - Quý thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM - Quý thầy cô phịng đào tạo q thầy khoa khác – Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP HCM - Gia đình, bạn bè Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, hỗ trợ động viên quý báu tất người Xin trân trọng cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2011 Học viên thực luận văn iii MỤC LỤC Trang tựa Trang 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 hình x Danh sách bảng xvi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LĨNH ROBOT HÀN 1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN 1.2 ROBOT HÀN 1.2.1 Ứng dụng robot hàn sản xuất 1.2.2 Các dạng Robot hàn 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 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 đề tài 26 CHƯƠNG 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 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 vi 2.5.1 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 chế độ hàn 44 2.6.2 Ảnh hưởng yếu tố công nghệ 47 2.6.3 Ảnh hưởng yếu tố kết cấu 51 CHƯƠNG 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 khơng có 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 KHƠNG GIAN CHO ROBOT 55 3.2.1 Phương án 55 3.2.2 Phương án 56 3.2.3 Phương án 57 3.2.4 Phương án 58 3.2.5 Phương án 58 3.2.6 Lựa chọn phương án phù hợp 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 vii 3.4.2 Các phương pháp tạo quỹ đạo chuyển động công nghệ hàn 80 3.4.3 Giải pháp tạo quỹ đạo công nghệ hàn cho robot 82 CHƯƠNG 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 phương pháp dị theo vách đứng hàn góc: 85 4.1.2 Tạo vết dẫn đường để điều khiển đường robot theo đường hàn: 86 4.1.3 Lấy mẫu điểm đường hàn với công cụ lập trình Teach Pendant: 87 4.1.4 Nhận biết điểm mép 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 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 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 THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 128 6.1 THỬ NGHIỆM 128 6.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 131 viii CHƯƠNG 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 ix Chương 1: Tổng quan Robot hàn GVHD: TS LÊ CHÍ CƯƠNG  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN 1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN: Khoảng đầu thời đại đồ đồng, đồ sắt, người biết hàn kim loại Năm 1802, nhà bác học Nga Pê-tơ-rốp tìm tượng hồ quang điện rõ khả sử dụng nhiệt để làm nóng chảy kim loại, mở thời kỳ hàn hồ quang tay ngành cơng nghiệp đóng tàu Năm 1882 Kỹ sư Bê-na-đớt sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại Năm 1886 Tơm-sơn tìm phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối áp dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903 Năm 1887 Bê-na-đớt tìm phương pháp hàn điểm Năm 1888, Sla-via-nốp áp dụng điện cực nóng chảy - điện cực kim loại vào hồ quang điện, đến năm 1907, kỹ sư Thụy Điển Ken-Be phát phương pháp ổn định q trình phóng hồ quang bảo vệ vùng hàn khỏi tác động khơng khí xung quanh cách lắp lên điện cực kim loại lớp vỏ thuốc Việc ứng dụng que hàn bọc thuốc bảo đảm chất lượng mối hàn Thời kỳ phát triển cao công nghiệp hàn mở vào năm cuối 30 đầu 40 kỷ XX, sau cơng trình tiếng viện sĩ E O Pa-tôn hàn thuốc Phương pháp hàn bán tự động sau hàn tự động lớp thuốc đời; sau ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp, thành tựu vơ to lớn kỹ thuật hàn đại Cho đến nay, hàn thuốc phương pháp khí hố kỹ thuật hàn, với ưu điểm vượt trội hiệu suất chất lượng mối hàn Từ năm cuối 40, phương pháp hàn khí bảo vệ nghiên cứu đưa vào sản xuất Hàn bảo vệ làm tăng vọt chất lượng mối hàn phương pháp hàn sử dụng rộng rãi nhất, đặc biệt khả sử dụng dễ dàng nhiều tư hàn khác Hàn xỉ điện phát minh tiếng tập thể Viện Hàn điện B O Pa-tô (Ki-ép, Liên Xơ) Q trình hàn điện xỉ nhà bác học Xô Viết phát năm 1949, nghiên cứu đưa vào sản xuất năm 50 Phương pháp hàn điện xỉ đời phát triển cách mạng kỹ thuật nghành chế tạo máy móc hạng nặng lị hơi, tua bin, máy ép cỡ lớn, … Các phường pháp hàn ngày nghiên cứu cải tiến để nâng cao suất, hiệu chất lượng mối hàn, nâng cao khả tự động hóa Hiện nay, có 120 phương pháp hàn khác nhau, đó, phương pháp hàn sử dụng rộng rãi là: hàn hồ quang tay, hàn bán tự động tự động lớp thuốc (Submerged Arc Welding - SAW), hàn bán tự động mơi trường khí bảo vệ (MIG, MAG), hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc (FCAW-Flux Cored Arc Welding), hàn hồ quang tự bảo vệ (Self-Shielded Arc Weld), hàn TIG Một số phương pháp hàn HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang Phụ lục GVHD: TS LÊ CHÍ CƯƠNG // Bug fixed: Enable TRAJ complete Interrupt wr_data(0x00); wr_data(116)&0x0000ffff); VELHI=(word)((VEL_VAL>>16)&0x0000ffff); VELLO=(word)(VEL_VAL&0x0000ffff); POSHI=(word)((POS_VAL>>16)&0x0000ffff); POSLO=(word)(POS_VAL&0x0000ffff); chk_bsy(); wr_cmd(LTRJ); chk_bsy(); wr_data(0x00); //wr_data(0x15); wr_data(0x3F); chk_bsy(); wr_data((ACCHI>>8)&0x00ff); wr_data(ACCHI&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((ACCLO>>8)&0x00ff); wr_data(ACCLO&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((VELHI>>8)&0x00ff); wr_data(VELHI&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((VELLO>>8)&0x00ff); wr_data(VELLO&0x00ff); HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 147 Phụ lục GVHD: TS LÊ CHÍ CƯƠNG chk_bsy(); wr_data((POSHI>>8)&0x00ff); wr_data(POSHI&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((POSLO>>8)&0x00ff); wr_data(POSLO&0x00ff); } /* nap vi tri tuyet doi*/ void abs_pos_load(float POS,word VEL, word ACC) { switch (ID) { case 0: POS_VAL=NLINE1*4.0*POS; //Number pulses VEL_VAL=NLINE1*4.0*SMP_TIME*1.0E-6*VEL*(1.0/60.0)*65536.0; ACC_VAL=NLINE1*4.0*SMP_TIME*SMP_TIME*1.0E-12*ACC*65536.0; break; case 1: POS_VAL=NLINE2*4.0*POS; //Number pulses VEL_VAL=NLINE2*4.0*SMP_TIME*1.0E-6*VEL*(1.0/60.0)*65536.0; ACC_VAL=NLINE2*4.0*SMP_TIME*SMP_TIME*1.0E-12*ACC*65536.0; break; case 2: POS_VAL=NLINE3*4.0*POS; //Number pulses VEL_VAL=NLINE3*4.0*SMP_TIME*1.0E-6*VEL*(1.0/60.0)*65536.0; ACC_VAL=NLINE3*4.0*SMP_TIME*SMP_TIME*1.0E-12*ACC*65536.0; break; } ACCLO=(word)(ACC_VAL&0x0000ffff); ACCHI=(word)((ACC_VAL>>16)&0x0000ffff); VELHI=(word)((VEL_VAL>>16)&0x0000ffff); VELLO=(word)(VEL_VAL&0x0000ffff); POSHI=(word)((POS_VAL>>16)&0x0000ffff); POSLO=(word)(POS_VAL&0x0000ffff); chk_bsy(); wr_cmd(LTRJ); chk_bsy(); wr_data(0x00); wr_data(0x2A); chk_bsy(); wr_data((ACCHI>>8)&0x00ff); wr_data(ACCHI&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((ACCLO>>8)&0x00ff); wr_data(ACCLO&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((VELHI>>8)&0x00ff); wr_data(VELHI&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((VELLO>>8)&0x00ff); wr_data(VELLO&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((POSHI>>8)&0x00ff); wr_data(POSHI&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((POSLO>>8)&0x00ff); wr_data(POSLO&0x00ff); } HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 148 Phụ lục /* nap chi vi tri tuyet doi*/ void abs_onlypos_load(float POS) { switch (ID) { case 0: POS_VAL=NLINE1*4.0*POS; break; case 1: POS_VAL=NLINE2*4.0*POS; break; case 2: POS_VAL=NLINE3*4.0*POS; break; } GVHD: TS LÊ CHÍ CƯƠNG //Number pulses //Number pulses //Number pulses POSHI=(word)((POS_VAL>>16)&0x0000ffff); POSLO=(word)(POS_VAL&0x0000ffff); chk_bsy(); wr_cmd(LTRJ); chk_bsy(); wr_data(0x00); wr_data(0x02); chk_bsy(); wr_data((POSHI>>8)&0x00ff); wr_data(POSHI&0x00ff); chk_bsy(); wr_data((POSLO>>8)&0x00ff); wr_data(POSLO&0x00ff); } //**************************************************************** //doc vi tri thuc float read_real_position(void) { float tamtam; long adad; chk_bsy(); wr_cmd(RDRP); //read real position chk_bsy(); adad=(long)rd_data()