2. Nghiên cứu giải pháp nhận biết và điều khi ền đuốc hàn theo quĩ đạo cần
2.3. Các phương pháp nhận biết đường hàn
2.3.1Phân tích cấu tạo đường hàn: - Đối với đường hàn cĩ vát mép:
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 48
Vật liệu thép tấm
Chiều dài đường hàn: 2000-8000mm Bề rộng: rộng nhất 10-30mm - Đối với đường hàn khơng vát mép:
1 - 2
Hình 54: Đường hàn khơng vát mép Vật liệu thép tấm
Chiều dài đường hàn: 2000-8000mm Bề rộng: rộng nhất 2 – 3 mm
- Đối với những đường hàn cĩ vát mép yêu cầu cần cĩ chuyển động cơng nghệ zigzag để hàn những mối hàn cĩ bề rộng lớn và tăng chất lượng của
đường hàn.
- Đối với những đường hàn khơng vát mép thì đầu hàn khơng cần cĩ chuyển động cơng nghệ zigzag, chính vật liệu hàn nĩng chảy sẽ tự động
điền đầy vào vùng giữa 2 tấm kim loại hàn để nối kết chúng lại với nhau. 2.3.2. Các phương án nhận biết đường hàn:
Đối với đường hàn cĩ vát mép
Ta chia đường hàn thành n phần bằng nhau mỗi phần cĩ chiều dài l mm như hình vẽ, như vậy nều đường hàn cĩ chiều dài là k thì số phần sẽ là:
Ta cho robot di chuyển tịnh tiến dọc theo đường hàn, tay gắn đầu dị sẽ di chuyển vuơng gĩc với đường hàn sao cho tâm của đầu dị trùng với những đường chia.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 49
k
l a1 an
Khi đầu dị di chuyển ngang qua đường hàn, ta ghi nhận lại sự thay
đổi trạng thái của cảm biến. Ta điều chỉnh cảm biến sao cho khi đi vào vùng ranh giới của 2 tấm kim loại thì cảm biến mất tín hiệu dị và sau khi tín hiệu dị xuất hiện lại thì lúc đĩ đầu dị đi ra ngồi vùng đường hàn. Bằng cách đo khoảng thời gian cảm biến từ lúc mất tính hiệu và cĩ lại tính hiệu lại ta sẽ
tính ra được bề rộng (b) của đường hàn. Tập hợp những điểm mà ta cĩ được chính là hình dạng của đường cần hàn.
l
b
1 2
Hình 55: Nguyên lý dị đối với đường hàn vát mép Với: l: là chiều cao từđầu hàn tới bề mặt sàn tàu.
b: là bề rộng đường hàn.
Thực ra ta khơng cần di chuyển hết hành trình của đầu dị mà đầu dị chỉ cần dao động với biên độ vừa phải quanh đường hàn để tiết kiệm thời gian di chuyển của đầu dị.
Đối với đường hàn khơng vát mép
Tương tự như trên ta cũng chia đường hàn thành n phần bằng nhau mỗi phần cĩ chiều dài l mm.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 50
Ta cũng cho robot di chuyển tịnh tiến dọc theo đường hàn, tay gắn
đầu dị sẽ di chuyển vuơng gĩc với đường hàn sao cho tâm của đầu dị trùng với những đường chia.
Khi đầu dị di chuyển ngang đến đường hàn, ta cũng ghi nhận lại sự
thay đổi trạng thái của cảm biến. Nhưng ta khơng để đầu dị nhận biết 2 bên mép của đường hàn mà ta chỉ cần nhận biết 1 bên vì bề rộng hẹp nên sai số
khơng đáng kể vì vậy ta chỉ cần dị 1 bên mép hàn. Và bên độ dao động của tay hàn cũng nằm lân cận trong phạm vi bề rộng đường hàn.
Hình 56: Nguyên lý dị đối với đường hàn khơng vát mép 2.3.3. Các dạng cảm biến cĩ thể dùng để nhận biết đường hàn:
2.3.3.1. Lựa chọn cảm biến:
- Cảm biến quang điện:
Nguyên lý: Cảm biến quang điện gồm 2 bộ phận thu và phát, bộ phận phát phát ra một chùm tia sáng (ánh sáng thấy được hay tia hồng ngoại), bộ phận thu nhận biết chùm ánh sáng phản xạ hay nhận một chùm tia tới. Cảm biến quang điện thường được sử dụng để nhận biết sự xuất hiện của vật cản do làm thay đổi sự hiện diện của chùm tia tới.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 51 Hình 57: Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại Hình 58: Cảm biến hồng ngọai Đặc điểm: - Nhận biết vật cản khơng cần phải tiếp xúc vào vật - Phát hiện vật với bất kỳ vật liệu gì - Phát hiện vật ở khoảng cách xa - Tốc độ đáp ứng và độ chính xác cao
- Cảm biến siêu âm:
Nguyên lý: cảm biến siêu âm phát ra sĩng siêu âm từ đầu cảm biến và nhận lại sĩng siêu âm phản hồi từ vật. Bằng cách đo lường thời gian truyền và nhận của sĩng phản hồi mà ta cĩ thế xác định được khoảng cách từ vật đến cảm biến.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 52
Hình 59: Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm
Hình 60: Cảm biến siêu âm Đặc điểm: - Nhận biết vật cản khơng cần phải tiếp xúc vào vật - Phát hiện vật với bất kỳ vật liệu gì - Phát hiện vật ở khoảng cách xa - Tốc độ đáp ứng và độ chính xác cao - Cảm biến laser:
Tương tự như cảm biến hồng ngoại, cảm biến laser hoạt động dựa vào sự
phản xạ của chùm tia tới nhưng cảm biến laser cho chùm tia phát cĩ cường độ mạnh hơn vì vậy cĩ thể phát hiện vật ở khoảng cách xa và chùm tia cĩ độ hội tụ cao cĩ thể
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 53
Hình 61: Nguyên lý hoạt động của cảm biến laser 2.3.4. So sánh lựa chọn phương án phù hợp:
Cảm biến quang điện Cảm biến siêu âm
Cảm biến laser
1. Khoảng cách
dị Loại phản xạ khuếch tán (10-30cm) Loại fiber optic (15-150mm)
50 – 1000mm 1000 – 3000 mm
2. Tốc độ đáp
ứng (độ nhạy) Nhanh Nhanh Nhanh
3. Vật liệu
nhận biết được Vật liệu chắn sáng Kim loại, hợp kim và các loại nhựa Vật liệu chắn sáng 4. Độ chính
xác Cao Cao Rất cao
5. Nhiễu với
mơi trường hàn Bị tác động của hồ quang hàn (Những loại cảm biến cơng
nghiệp cĩ hệ thống chống nhiễu tốt)
Ít bị nhiễu Cĩ hệ thống chống nhiễu tốt
6. Kích thước Nhỏ (cĩ thể nối dài đầu dị) Nhỏ (cĩ thể nối dài đầu dị) Nhỏ (cĩ thể nối dài đầu dị) 7. Độ hội tụ Điểm (cĩ kích thưởc bé 1 - 0.5mm) Vùng Điểm (cĩ kích thưởc rất bé <0.5mm) 8. Giá thành Rẻ (100-200$) Rẻ 500$ – 1000$
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 54
Lựa chọn loại cảm biến:
Dựa vào nguyên l ý hoạt động của robot, cơng dụng, giá thành cũng như đặt tính kỹ thuật của từng loại cảm biến ta nhận thấy cảm biến quang
điện đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật đề ra về độ tin cậy, độ nhạy,... của sản phẩm.
Hình 62: Cảm biển sunX CX- 423 của hãng panasonic
Với độ nhạy cao khoảng cách dị 30-100mm độ hội tụ nhỏ cĩ thể phát hiện được vật cĩ kích thước nhỏ và tốc độđáp ứng nhanh..
2.4. NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN ĐUỐC HÀN:
2.4.1. Nguyên tắc xác định đường hàn và điều khiển đuốc hàn: Mơ hình hoạt động của robot hàn: Mơ hình hoạt động của robot hàn: 1- Bánh xe trước 2-Đầu dị đường hàn 3-Đuốc hàn 4-Đường hàn 5-Cụm dẫn hướng đuốc hàn 6-Encoder 7-Cụm dẫn hướng đầu dị Hình 63: Sơđồ hoạt động robot hàn 1
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 55
- Lựa chọn hệ trục toạ độ chuẩn cho robot: chọn hệ trục toạ độ Oxy như hình vẽ. Trong đĩ trục Oy đi qua đường đối xứng của xe và cách đường hàn một khoảng là x (x là khoảng cách lớn nhất của điểm trên đường hàn đến Oy đảm bảo đủđộ dài cho tay hàn và đầu dị vương tới).
- Xe xuất phát từ vị trí gốc toạ độ 0 sao cho đầu dị (2) nằm ngồi vị
trí vùng cần hàn.
Hình 64: Sơđồ hoạt động robot hàn 2
- Bắt đầu cho xe di chuyển. Trong quá trình xe di chuyển dọc theo trục toạ độ Oy, cụm di chuyển đầu dị (7) sẽ điều khiển đầu dị dịch chuyển theo phương ngang Ox để xác định vị trí 2 mép đường hàn.
- Xe di chuyển theo phương Oy, đầu dị và tay hàn di chuyển theo phương Ox, cắt ngang đường hàn. Khi đầu dị nhận biết được vị trí 2 mép
đường hàn ta dựa vào số vịng quay của động cơ servo và bước di chuyển của vít để tính tốn đưa ra giá trịđiểm giữa và lưu lại toạđộ (X1).
- Trong quá trình robot di chuyển encoder (6) sẽ ghi nhận lại số vịng quay . Dựa vào vận tốc di chuyển của xe và số vịng quay của encoder (6) ta cĩ được vị trí Y1 của điểm X1 trên trục Oy. Quá trình lấy mẫu toạđộ diễn ra
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 56
trong suốt đoạn đường robot di chuyển khi đĩ ta cĩ lần lượt toạđộ các điểm là 1 ( , ) n i i i i M X Y = =∑ Y a Y X X 1 2 4 3 5 6 i 1 i 1 Hình 65: Sơđồ hoạt động robot hàn 3
- Đầu hàn cách đầu dị một khoảng a, khi vị trí thứ i cĩ độ dài là Yi - Y1 = a thì bộ điều khiển đầu hàn sẽ điều chỉnh đuốc hàn đúng vào vị trí (X1,Y1) để thực hiện quá trình hàn. Cứ như thế robot di chuyển và thực hiện hết chiều dài đường hàn.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 57
2.4.2. Giải thuật điều khiển và sơđồ mạch điện:
2.4.2.1. Các thiết bị dùng để điều khiển trên robot:
1- Động cơ DC servo Dẫn động cho robot
2- Động cơ DC cĩ encoder 24V: Điều khiển cụm di chuyển đầu dị 3- Động cơ DC cĩ encoder 24V: Điều khiển cụm di chuyển tay hàn 4- Đầu dị đường hàn: Xác định vị trí của các điểm trên đường hàn 5- Đầu hàn: Thực hiện cơng việc hàn
6- Hộp điều khiển
Hình 66: Sơđồ phần cứng của mạch điều khiển robot
Vi điều khiển lọai AVR mega 162 với độ ổn định và tính năng đa dạng hơn so với vi điều khiển 8x nên đáp ứng được những yêu cầu đặt ra.
Ưu điểm của AVR so với 8x:
- Tốc độ xử lý cao cĩ thể thực hiện 6 triệu lệnh/giây (gấp 16 lần vi điều khiển 8x). - Cĩ 6 chân PWM chuyên dùng để điều khiển động cơ.
- Cĩ chân đặc biệt đểđọc tín hiệu từ encoder. - Bộ nhớ gấp 8 lần vi điều khiển 8x
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 58 2.4.2.2. Lưu đồ giải thuật điều khiển:
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 59
Lưu toạ độ X
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 60
Kết thúc
Các thơng số ban đầu cho robot gồm cĩ:
V1
V2
T1 V3
- Tốc độ lấy mẫu: vận tốc dịch chuyển theo phương ngang của đầu dị
đường hàn. V1
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 61
- Tốc độ hàn: vận tốc dịch chuyển của xe theo phương dọc theo đường hàn V3
- Chu kỳ lắc lư của đuốc hàn (weaving): T1
- Các thơng số liên quan đến cơng nghệ hàn (yêu cầu kỹ thuật của từng vị trí hàn): hàn liên tục, hàn gián đoạn hay hàn điểm.
2.4.2.3. Mối quan hệ giữa các vận tốc với nhau:
Ta gọi: t1: là thời điểm đầu dị ở vị trí x1
t2: là thời điểm đầu dị ở vị trí x2
t3: là thời điểm đầu dị ở vị trí y1
t4: là thời điểm đầu dị ở vị trí y2
Vx: là vận tốc tay hàn di chuyển theo phương Ox Vy: là vận tốc đầu dị di chuyển theo phương Oy Ta cĩ:
Thời gian tay hàn di chuyển 1 đoạn ∆ =x x2 − x1là: ∆ = −t1 t2 t1
Thời gian đểđầu dị di chuyển 1 đoạn ∆ =y y2 − y1 là: ∆ = −t2 t4 t3
Trong quá trình robot di chuyển dọc theo đường hàn, robot sẽ thực hiện đồng thời 3 chuyển động đĩ là chuyển động của đầu dị để dị đường hàn theo phương Ox, chuyển động của tay hàn theo phương Ox và chuyển động di chuyển của xe theo phương Oy.
Thời gian tay hàn di chuyển từ vị trí x1đến vị trí x2 là: 1
x t Vx ∆ ∆ = Thời gian đầu dị di chuyển từ vị trí y1đến vị trí y2 là: 2 y t Vy ∆ ∆ =
Yêu cầu đặt ra cho robot là: thời gian tay hàn di chuyển từ vị trí x1 đến vị trí x2 phải bằng thời gian đầu dị di chuyển từ vị trí y1đến vị trí y2 nghĩa là: 1 2 x y t t t Vx Vy ∆ ∆ ∆ = ∆ = = = ∆
Đây cũng chính là điều kiện cần thiết để giúp robot đảm bảo độ chính xác về
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 62 2.4.2.4. Sơđồ mạch điện điều khiển:
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 63
3. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TẠO QUỸ ĐẠO CƠNG
NGHỆ HÀN CẮT
3.1 MỤC TIÊU:
- Ở Chương tổng quan ta cĩ đề cập đến những vấn đề nhằm nâng cao chất lượng đường hàn và dùng để hàn những đường hàn cĩ bề rộng lớn.
- Đối với chi tiết hàn cĩ bề dày lớn và cĩ độ hở nhiều thì khi đầu hàn di chuyển theo phương thẳng của xe sẽ khơng cho được mối hàn cĩ chất lượng cao. Với việc tạo ra quỹ đạo chuyển động của đầu hàn mà ta cĩ thể tăng độ bền cho mối hàn.
- Đối với hàn tay để tạo ra mối hàn cĩ chất lượng thì phải phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của người cơng nhân. Vì vậy cần cĩ một bộ phận để tạo ra chuyển
động quỹđạo của đầu hàn là rất cần thiết đối với robot hàn.
3.2 GIẢI PHÁP TẠO QUĨĐẠO CƠNG NGHỆ HÀN CẮT:
3.2.1. Các dạng quĩ đạo cơng nghệ hàn: Một số quĩđạo dao động của đầu hàn: Một số quĩđạo dao động của đầu hàn:
Hình 69: Các dạng quỹđạo cơng nghệ hàn
Cĩ rất nhiều dạng quĩ đạo phục vụ cho cơng việc hàn nhằm tăng chất lượng của các mối hàn. Trong các dạng quĩ đạo trên quỹđạo zigzag được sử
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 64
ứng dụng phổ biến trong ngành cơng nghiệp hàn tàu. Hai dạng quĩ đạo zigzag phổ biến là dạng răng cưa và dạng xung vuơng:
Hình 70: Cácdạng quỹđạo cơng nghệ hàn zigzag
Cả 2 dạng này đều cĩ dạng quỹđạo tương tự nhau đều là chuyển động zigzag của đầu hàn nhưng khi ta thay đổi thời gian chuyển động qua lại của
đầu hàn kết hợp với chuyển động tịnh tiến theo phương dọc theo đường hàn mà ta cĩ các dạng quỹđạo khác nhau như dạng quỹđạo trịn.
3.2.2. Các phương pháp tạo quĩđạo zigzag:
Cĩ 2 phương pháp được sử dụng trong cơng nghiệp robot để tạo quỹ đạo zigzag:
+ Gắn thêm cơ cấu phụ: Cơ cấu này thướng gắn ở khâu cuối, robot khi di chuyển điều khiển khâu cuối cĩ mang đầu hàn bám theo quĩ đạo hàn và trong quá trình thực hiện cơng việc hàn cơ cấu phụ sẽ tạo chuyển động quĩđạo cơng nghệ.
Cĩ 2 loại cơ cấu phụđể tạo ra 2 dạng chuyển động khác nhau:
1- Tạo chuyển động zigzag qua lại theo phương ngang của đầu hàn.
2- Tạo chuyển động zigzag theo cung trịn quanh tâm, với bề rộng cung bằng bề rộng của mối hàn.
Học viên: Ngơ Sỹ Thanh. Page 65
1) 2)
a) b)
Hình 71: a) Bộ phận tạo chuyển động lag zigzag, b) Rùa hàn mang theo bộ tạo chuyển động lag
+ Phối hợp chuyển động của các khớp để tạo ra quĩ đạo cơng nghệ: Phương pháp này thường được sử dụng đối với robot dạng tay máy và là phương pháp tạo ra nhiều dạng quỹ đạo nhất. Bằng cách phối hợp chuyển
động của các khâu để tạo ra quỹđạo mong muốn.
Hình 72: Quĩđạo cơng nghệ hàn được tạo ra