TRÍ KHƠNG GIAN CHO ROBOT HÀN TỰ HÀNH TRONG MẶT PHẲNG NGANG:
1.1.Các giai pháp về cấu trúc hiện cĩ trên thế giới về robot hàn tự
hành:
1.1.1. Robot hàn tự hành của Hãng BugO:
Dạng thứ 1: Dạng tự hành dùng để hàn gĩc, khơng cĩ cơ cấu tạo chuyển
động cơng nghệ.
Các bộ phận gồm cĩ:
− Cụm truyền động: Giúp robot di chuyển.
− Cụm điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, lên chương trình hàn. Dạng robot này sử dụng nguồn điện AC được cấp từ ngồi.
− Cụm kẹp đuốc hàn: Điều chỉnh vị trí và giữ cốđịnh đuốc hàn.
Hình 36: Robot hàn tự hành dùng hàn gĩc của BugO
Ưu nhược điểm: Chuyên dùng để hàn gĩc, đối với những đường hàn cĩ độ cong thì khơng thể hàn được. Khơng tạo ra chuyển động cơng nghệ
trên đường hàn do đĩ chỉ hàn được những mối hàn nhỏ. Cần cĩ người cơng nhân theo dõi và điều chỉnh vị trí trong quá trình hàn.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Trang 30
Robot dạng này đã được các thầy cơ trường Đại học Bách Khoa TPHCM nghiên cứu nhưng cĩ mức độ tự động hố cao hơn và cũng đã đạt
được những kết quả tốt.
Dạng thứ 2: Dạng tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn gĩc, Các bộ phận gồm cĩ:
− Cụm truyền động: Giúp robot di chuyển.
− Cụm điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh hướng hàn. Dạng này sử dụng nguồn điền DC từ pin.
− Cụm kẹp đuốc hàn: Điều chỉnh vị trí và giữ cốđịnh đuốc hàn.
− Cụm tạo chuyển động cơng nghệ hàn: Tạo chuyển động zigzag cho mối hàn.
Hình 37: Robot hàn tự hành dùng hàn phẳng và gĩc của BugO
Ưu nhược điểm: Cĩ thể dùng để hàn gĩc và hàn phẳng, cĩ thể hàn những
đường hàn cĩ độ cong nhỏ. Cĩ bộ phận tạo ra chuyển động cơng nghệ nên cĩ thể hàn những vết hạn cĩ bề rộng lớn hơn và tạo cho đường hàn cĩ độ chắc và bền cao. Nhược điểm của dạng robot này là cần cĩ người cơng nhân theo dõi và điều chỉnh robot trong quá trình hàn.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Trang 31 Dạng thứ 3: Dạng tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn gĩc cĩ ray dẫn hướng. Các bộ phận gồm cĩ:
− Cụm truyền động: Giúp robot di chuyển.
− Cụm ray trượt: Dẫn hướng di chuyển cho robot
− Cụm điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh hướng hàn, cĩ thể lập trình đường hàn. Dạng này sử dụng nguồn điền AC.
− Cụm kẹp đuốc hàn: Điều chỉnh vị trí và giữ cốđịnh đuốc hàn.
− Cụm tạo chuyển động cơng nghệ hàn: Tạo chuyển động rig rắc cho mối hàn.
Hình 38: Robot hàn tự hành dùng hàn đứng của BugO (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ưu nhược điểm: Cĩ thể dùng để hàn gĩc và hàn phẳng, cĩ thể hàn những
đường hàn cĩ độ cong nhỏ. Cĩ bộ phận tạo ra chuyển động cơng nghệ nên cĩ thể
hàn những vết hạn cĩ bề rộng lớn hơn và tạo cho đường hàn cĩ độ chắc và bền cao.Khơng cần cơng nhân theo dõi, cĩ mức độ tựđộng hố cao hơn.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Trang 32
1.1.2. Robot hàn tự hành của Hãng khác:
Đều cĩ cùng cơng dụng vào những bộ phận tương tự như những sản phẩm robot của hãng BugO
Hình 39: Robot hàn của hãng KISTLER (Đức)
Hình 40: Robot hàn của Hàn Quốc
1.1.3. Mục tiêu đề ra cho robot hàn cắt:
− Mục tiêu đề ra ở đây là chế tạo robot với cấu trúc gọn, nhẹ dể vận chuyển và dễ vận hành cĩ giá thành phù hợp với thị trường trong nước.
− Với cấu trúc gọn nhẹ ( khối lượng khơng quá 15kg) người cơng nhân cĩ thể vận chuyển robot đển những nơi cần hàn một cách nhanh chĩng và tạo ra những đường hàn đẹp đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Trang 33
− Dựa vào những dạng robot trên, nhằm nâng cao mức độ tự động hố và phù hợp với điều kiện đĩng tàu tại Việt Nam, một robot hàn tự hành cần cĩ những bộ phận sau:
Bộ phận giữđầu hàn
Bộ phận tạo chuyển động cơng nghệ hàn Bộ phận nhận dạng đường hàn
Hệ thống điện và các bo mạch điều khiển. Bộ phận truyền động di chuyển robot: Bộ phận lái chuyển hướng
Bộ phận dị đường dẫn hướng ( giúp robot di chuyển theo
đường thẳng: cĩ thể dùng sensor hay ray dẫn hướng)
Các bộ driver điều khiển động cơ (vì cần độ chính xác nên ta sử dụng động cơ step hay servo)
1.2. BỐ TRÍ KHƠNG GIAN CHO ROBOT:
1.2.1. Nguyên lý hoạt động của robot tự hành hàn sàn tàu: Nguyên lý hoạt động chung của robot như sau: Nguyên lý hoạt động chung của robot như sau:
Robot sẽđược người cơng nhân đặt trên sàn tàu gần đường hàn. Robot sẽ di chuyển trên sàn tàu, dị tìm và nhận biết đường hàn. Khi phát hiện ra đường hàn robot sẽđiều chỉnh đầu hàn vào đúng vị trí nhận được và thực hiện quá trình hàn.
Do đĩ yêu cầu đặt ra cho robot hàn là: Di chuyển, bám theo đường hàn Nhận dạng vị trí đường hàn.
Giữđuốc hàn và điều chỉnh đuốc hàn vào đúng vị trí cần hàn. Tạo ra chuyển động cơng nghệ hàn.
1.2.2. Phân tích lựa chọn phương án cho robot hàn:
Dựa vào những yêu cầu trên, ta cĩ các nguyên lý đưa ra cho robot như sau: ¾ Phương án 1: Robot di chuyển song song với đường hàn với 1 khoảng
cách nhất định (di chuyển trên ray hay tạo vách dẫn hường), khi dùng vách dẫn hướng ta cĩ thêm bộ phận tựa vào vách để dẫn hướng và
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Trang 34 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a) b)
Hình 41: a) Phương án 1 với dẫn hướng là vách đứng: (1) Vách đứng, (2) (6) Đầu dị, (3) Cụm giữ tay hàn, (4) Đầu hàn, (5) Đường hàn.
b) Phương án 1 với dẫn hướng là ray trượt: (1) Ray dẫn hướng, (2) Đường hàn , (3) Đầu hàn , (4) Cụm giữ tay hàn, (5) Đường hàn.
¾ Phương án 2: Robot tự chuyển động chạy dọc theo đường hàn (khơng cĩ cơ
cấu bẻ lải và cơ cấu dẫn hướng), trên robot cĩ cơ cấu dị (dùng cảm biến hồng ngoại, cảm biến quang, siêu âm, laser hay camera) sẽ di chuyển dọc vuơng gĩc với đường hàn để nhận biết vị trí 2 bên mép của đường hàn. Từ
những toạđộ này và khoảng cách từđầu dị tới đầu hàn ta sẽđưa ra được vị
trí cần hàn.
a
Hình 42 : (1) Cụm di chuyển đầu dị, (2) Đầu dị đường hàn, (3) Đường hàn, (4)
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Trang 35
¾ Phương án 3: Tương tự phương án 2 nhưng robot sẽ di chuyển trên
đường ray hay sẽ tựa vào vách đứng (tự tạo ra) được đặt song song với đường hàn để dẫn hướng cho robot hàn.
a) b)
Hình 43: a) Phương án 3 với ray dẫn hướng: (1) ray dẫn hướng, (2) cụm giữ và di chuyển đầu dị, (3) đầu dị đường hàn, (4) đầu hàn, (5) đường hàn, (6) cụm giữ và di chuyển đầu hàn. b) Phương án 3 với vách đứng: (1) vách đứng, (2) cụm giữ và di chuyển đầu dị, (3) đầu dị đường hàn, (4) đầu hàn, (5) đường hàn, (6) cụm giữ và di chuyển đầu hàn, (7) đầu dị vách đứng
¾ Phương án 4: Robot sẽ di chuyển dọc theo đường hàn, để giữ cho robot di chuyển thẳng ta tạo ra một đường dẫn hướng (một đường line màu trắng) nằm song song với đường hàn và robot sẽ dị (sử dụng cảm biến hồng ngoại, hay cảm biến màu) theo đường này và điều chỉnh cơ
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Trang 36
a) b)
Hình 44 : a) Phương án 4 với dẫn hướng nằm ngồi: (1) Đầu dị đường dẫn hướng, (2) Đường line trắng dẫn hướng, (3) Bộ phận lái, (4) đầu dị , (5) Đầu hàn, (6)
Đường hàn, (7) cụm giữ và di chuyển đầu hàn, (8) cụm giữ và di chuyển đầu dị b) Phương án 4 với dẫn hướng nằm trong: (1) Đường line trắng dẫn hướng , (2) Bộ
phận lái, (3) đầu dị ,(4) Đầu hàn ,(5) Đường hàn ,(6) cụm giữ và di chuyển đầu hàn ,(7) cụm giữ và di chuyển đầu dị, (8) Đầu dị đường dẫn hướng
¾ Phương án 5: Tương tự như phương án 4 nhưng robot bẻ lái bằng cách thay
đổi tốc độ của từng bánh xe sau và 2 bánh xe trước tự lựa để điều chỉnh hướng.
Hình 45 : Phương án 5 với cách điều khiển lái bằng 2 bánh sau: (1) đường dẫn hướng, (2) Bánh lái tự lựa, (3)
Đầu dị đường hàn, (4) Tay hàn, (5)
Đường hàn, (6) cụm giữ và di chuyển
đầu hàn, (7) cụm giữ và di chuyển đầu dị, (8) Cụm dị đường dẫn hướng.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 37
Phân tích lựa chọn phương án:
Phương án Ưu điểm Nhược điểm Ghi chú (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1 Khơng cần cơ cấu bẻ lái và điều chỉnh đầu hàn nên kết cấu gọn nhẹ. Kém linh hoạt, chỉ hàn được những đường hàn tương đối thẳng và khĩ thực hiện với những đường hàn dạng cong. Cần cĩ các thiết bị phụ trợ như vách và ray nên cồng kềnh khĩ vận chuyển. Đây là phương án chung của các loại robot do nước ngồi sản xuất. 2 Khơng cần cơ cấu bẻ lái. Kết cấu gọn nhẹ. Yêu cầu độ chính xác cao để robot di chuyển đúng hướng và ổn định. Linh hoạt dễ vận chuyển. 3 Nhờ cĩ cơ cấu ray dẫn hướng giúp xe di chuyển đúng hướng. Yêu cầu thiết bị phụ trợ theo (đường ray) nên rất cồng kềnh khĩ vận chuyển. Phát triển thêm bộ phận dị đường và di chuyển tay hàn so với phương án 1. 4 Với cơ cấu bẻ lái chỉnh hướng sẽ
giúp cho robot
được di chuyển linh hoạt.
Khơng cần ray hay vách dẫn hướng nên rất tiện lợi để vận chuyển. Hệ thống điều khiển và cơ khí phức tạp hơn các phương án trên và yêu cầu độ chính xác tương đối cao. Cơ cấu phụ trợ đơn giản nhưng hệ thống lái chưa đáp ứng được yêu cầu đưa ra là độ lệch và độ ổn định trong khi robot di chuyển. 5 Cĩ được những ưu điểm như phương án 4 nhưng phương án 5 sẽ cho cách bẻ lái linh hoạt và dễ điều chỉnh gĩc lái. Hệ thống điều khiển và cơ khí phức tạp hơn các phương án trên và yêu cầu độ chính xác tương đối cao. Hệ thống lái đã đáp ứng phần nào yêu cầu của đề bài đặt ra.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 38
Dựa vào những yêu cầu mà người sử dụng đưa ra đĩ là: Sự tiện lợi trong việc sử dụng, vận chuyển, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra nhưđộ chính xác hay các yêu cầu về kỹ thuật hàn.
Theo nguyên lý mà ta đưa ra ở trên: robot hàn cĩ bộ phận dị và tay hàn linh động nên cần chọn phương án sao cho gọn nhẹ linh động. Đồng thời 2 bộ
phận dị và tay hàn cĩ thể di chuyển tựđộng dị tìm đường hàn nên việc sử dụng cơ cấu bẻ lải là khơng cần thiết nếu ta bỏ bộ phận bẻ lái thì kết cấu robot sẽ gọn nhẹ hơn. Vì vậy ta nhận thấy phương án 2 là phương án phù hợp. a 1.2.3. Thiết kế các bộ phận của robot: Các bộ phận chính của robot gồm cĩ: ¾ Bộ phận truyền động ¾ Bộ phận dẫn hướng ¾ Bộ phận dị vạch ¾ Bộ phận dị đường hàn ¾ Bộ phận điều khiển đầu hàn ¾ Bộ phận điều khiển (gồm các cảm biến và vi mạch điều khiển) Robot cĩ kích thước bao như sau: (Dài x Rộng x Cao) = 341 x 526 x 339
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 42 1. Hộp điều khiển 2. Bộ phận tạo chuyển động lắc 3. Đầu hàn 4. Cụm giữ tay hàn 5. Cụm di chuyển đầu hàn 6. Cụm điều chỉnh cao độđầu hàn 7. Động cơ điều khiển đầu hàn 8. Cụm trục vis di chuyển đầu dị 9. Cụm trục vis di chuyển tay hàn 10. Bánh xe gắn Encoder
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 43
2. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NHẬN BIẾT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐUỐC HÀN THEO QUĨĐẠO CẦN HÀN:
2.1 MỤC TIÊU:
- Mục tiêu quan trọng nhất của robot hàn là làm sao dị tìm được vết cần hàn,
đây là cơng việc cần thiết để điều khiển tay hàn thực hiện quá trình hàn đúng vị
trí. Cĩ 2 cách xây dựng cho bài tốn điều khiển:
+ Bài tốn offline: Nếu đường hàn ta đã biết trước quỹđạo của nĩ. + Bài tốn online: Nếu ta chưa biết được quỹđạo.
Ở đây ta bài tốn offline là bài tốn đơn giản nên ta nghiên cứu để đưa ra giải pháp cho bài tốn này.
- Theo nguyên lý ta đã chọn ở Chương 2, robot di chuyển song song với
đường hàn đồng thời đầu dị sẽ di chuyển theo phương vuơng gĩc và tịnh tiến qua lại quanh để nhận biết quỹ đạo đường hàn. Từ những dữ liệu mà đầu dị nhận được robot sẽđiều chỉnh cho tay hàn di chuyển vào đúng vị trí cần hàn và thực hiện quá trình hàn.
Ở chương 2 ta đã chọn mơ hình robot cĩ cấu trúc như sau:
a
Hình 46: (1) Cụm di chuyển đầu dị, (2) Đầu dị đường hàn, (3) Đường hàn, (4) Đầu hàn, (5) Cụm di chuyển tay hàn
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 44
2.2 ĐƯỜNG HÀN:
2.2.1 Cấu tạo đường hàn:
Đặc điểm của đường hàn:
Đường cần hàn được tạo ra khi ghép từ 2 tấm thép cấu tạo sàn tàu lại với nhau bằng phương pháp hàn. Tuỳ thuộc vào từng loại kích cỡ tàu và yêu cầu cơng nghệđĩng tàu mà người ta ghép các tấm sàn với kích thước khác nhau.
Một vài kích thước của tấm sàn dùng đểđĩng tàu 6500 Tấn.
STT Kích thước chuẩn (Dày x rộng x dài) Chức năng 1 2 3 4 5 6 7 4x1600x6000 7x2000x8000 10x2000x8000 12x2000x8000 16x2000x8000 28x2000x8000 40x2000x8000 Boong tàu Boong tàu Boong tàu Boong tàu Boong tàu Boong tàu Boong tàu
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 45 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 47: Thép tấm được đặt lên khung tàu
Để các đường hàn đạt chất lượng tốt thì quá trình chuẩn bị là rất quan trọng (quá trình chuẩn bị bao gồm từ việc cắt và xử l ý các mép hàn).
Hình 48: Đường hàn nhìn từ trên
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 46
Hình 50: Mặt cắt ngang của đường hàn khơng cĩ vát mép.
Thực tế cho thấy đối với những đường hàn cĩ bề dày > 20mm yêu cầu kỹ
thuật cần phải vát mép nhưng đối với đường hàn cĩ bề dày <10 mm khơng cần vát mép. Do đĩ điều quan trọng là việc lựa chọn đúng đầu dị để cĩ thể nhận biết
được đường hàn.
Những thuận lợi và khĩ khăn cho robot trong quá trình nhận biết đường hàn:
- Thuận lợi: Vì robot dùng để hàn sàn tàu nên thuận lợi ở đây là robot di chuyển trên mặt phẳng và đường hàn nằm trên mặt phẳng sàn tàu thuận lợi cho việc dị tìm đường hàn.
- Khĩ khăn: Vì quá trình chuẩn bị khơng được chuẩn hố nên đường hàn cĩ hình dạng khơng đồng đều, đối với những đường hàn được chuẩn bị tốt (được cắt bằng CNC và được xử lý bề mặt tốt trước khi thực hiện quá trình hàn) sẽ thuận lợi hơn cho robot hàn nhận biết được đường hàn và thực hiện mối hàn cĩ chất lượng cao.
Đối với những đường hàn được chuẩn bị khơng tốt (cắt thủ cơng nên đường hàn khơng được thẳng và quá trình xử lý mối hàn trước khi hàn khơng tốt) sẽ
gây khĩ khăn cho robot trong việc dị tìm xác định đường hàn. 2.2.2. Phương pháp hàn:
Trong nền cơng nghệp tàu thuỷ những phương pháp hàn thường được sử
dụng đĩ là phương pháp hàn MIG, MAG và hàn hồ quang chìm. Những phương pháp hàn trên cho ta mối hàn cĩ chất lượng tốt, năng suất cao, cho phép dễ dàng tựđộng hố trong quá trình hàn.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 47
Hình 51: Cơng nghệ hàn MIG/MAG
Hình 52: Cơng nghệ hàn hồ quang chìm
Ảnh hướng của quá trình hàn đến robot và các thiết bị điều khiển:
Trong khi thực hiện quá trình hàn sẽ phát sinh ra hồ quang hàn, chính hồ
quang hàn sẽ tác động gây nhiễu đến các thiết bị điều khiển ở xung quanh khu vực phát hồ quang. Các thiết bị dễ bị tác động bởi hồ quang hàn đĩ là: các loại cảm biến và các bo mạch điều khiển.
Ngồi ra trong quá trình thực hiện mối hàn sẽ phát sinh các tia lửa hồ quang bắn ra mơi trường xung quanh, nếu robot khơng cĩ các bộ phận che chắn thì các thiết bị sẽ bị hư hỏng làm giảm tuổi thọ của thiết bị.
Do đĩ robot cần được sử dụng các thiết bị cĩ độổn định và chống nhiễu tốt,
đồng thời phải được che chắn kín khơng cho hồ quang tác động trực tiếp vào các