Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot hàn tự hành phục vụ cho ngành đóng tàu ở việt nam

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.03/06-10
NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
TỰ ĐỘNG HÓA



BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hàn tự hành
phục vụ cho ngành đóng tàu ở Việt Nam

Mã số: KC.03.06/06-10




Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách khoa Hà nội
Chủ nhiệm đề tài: TS. Bùi Văn Hạnh







2

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.03/06-10
NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA


BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hàn tự hành
phục vụ cho ngành đóng tàu ở Việt Nam
Mã số: KC.03.06/06-10

Chủ nhiệm đề tài Cơ quan chủ trì đề tài




TS. Bùi Văn Hạnh

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ
VPCCT trọng điểm cấp NN

Hà Nội - 2010
3

TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI
ĐỀ TÀI KC.03.06/06-10
__________________
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Hà nội, ngày 27 tháng 02 năm 2010

BÁO CÁO THỐNG KÊ
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I. THÔNG TIN CHUNG
1. Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot hàn tự hành phục vụ cho ngành
đóng tàu ở Việt Nam

Mã số: KC.03.06/06-10
Thuộc:
Chương trình Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tự
động hoá, Mã số: KC.03/06-10.
2. Chủ nhiệm đề tài:
Họ và tên: Bùi Văn Hạnh
Ngày, tháng, năm sinh: 20 tháng 05 năm 1963 Nam/ Nữ: Nam
Học hàm, học vị: Tiến sĩ

Chức danh khoa học: Chức vụ: Phó Viện Trưởng Viện Cơ khí-
Trường ĐHBK Hà nội, Phó Trưởng Bộ môn Hàn & CNKL.
Điện thoại: Tổ chức: 04.38694242 Nhà riêng: 04.35583583
Mobile: 0913 507 234
Fax: 04.38684543 E-mail:
Tên tổ chức đang công tác: Bộ môn Hàn & Công nghệ kim loại-Viện
Cơ khí-Trường Đại học Bách khoa Hà nội.
Địa chỉ tổ chức: 306-C1-Trường Đại học Bách khoa Hà n
ội
Địa chỉ nhà riêng: P511-C9B-Ngõ 19-Hoàng Ngọc Phách-Láng Hạ-
Đống Đa-Hà nội.



4

3. Tổ chức chủ trì đề tài/dự án:
Tên tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách khoa Hà nội
Điện thoại: 04.38694242 Fax:
E-mail:
Website: www.hut.edu.vn
Địa chỉ: Số 1-Đại Cồ Việt-Hai Bà Trưng-Hà nội
Họ và tên thủ trưởng tổ chức: GS. TS. Nguyễn Trọng Giảng
Số tài khoản: 93101062
Ngân hàng: Kho bạc nhà nước - Hai Bà Trưng – Hà Nội
Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Giáo dục và Đ
ào tạo
II. TÌNH HÌNH THỰC HIỆN
1. Thời gian thực hiện đề tài/dự án:
- Theo Hợp đồng đã ký kết: từ tháng 12 năm 2007 đến tháng 12 năm 2009

- Thực tế thực hiện: từ tháng 12 năm 2007 đến tháng 03 năm 2010
- Được gia hạn:
- Lần 1 từ tháng 01 năm 2010 đến tháng 03 năm 2010
2. Kinh phí và sử dụng kinh phí:
a) Tổng số kinh phí thực hiện: 1800 tr.đ, trong đó:
+ Kính phí hỗ trợ từ SNKH: 1800 tr.đ.
+ Kinh phí từ các nguồ
n khác: 0 tr.đ.
b) Tình hình cấp và sử dụng kinh phí từ nguồn SNKH:
Số
TT
Theo kế hoạch Thực tế đạt được Ghi chú
(Số đề nghị
quyết toán)
Thời gian
(Tháng, năm)
Kinh phí
(Tr.đ)
Thời gian
(Tháng, năm)
Kinh phí
(Tr.đ)
1 2008 1312 01/2008 630
2 06/2008 280
3 12/2008 390
4 2009 488 03/2009 350
5 12/2009 150
1800
5

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:
Đối với đề tài:
Đơnvị tính: Triệu đồng
Số
TT
Nội dung
các khoản
chi
Theo kế hoạch Thực tế đạt được
Tổng SNKH Nguồn
khác
Tổng SNKH Nguồn
khác
1 Trả công
lao động
(khoa học,
phổ thông)
755 755 0 689,000

689,000

0
2 Nguyên,
vật liệu,
năng
lượng
600 600 0 554,956.202 554,956.20
2

0

3 Thiết bị,
máy móc
210 210 0 147,227.99 147,227.99

0
4 Xây dựng,
sửa chữa
nhỏ
0 0 0 0 0 0
5 Chi khác 265 265 0 175,996 175,996

0

Tổng
cộng
1,800 1,800 0 1,567,180.19
2

1,567,180.1
92

0
- Lý do thay đổi (nếu có):
3. Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài:
(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơquanquản lý từ công đoạn xác định nhiệm
vụ, xét chọn, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí
thực hiện nếu có); văn bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn,kiến nghị điề
u
chỉnh nếu có)
Số

TT
Số, thời gian ban
hành văn bản
Tên văn bản Ghi chú
1 Số 1839/QĐ-BKHCN
ngày 05/09/2007
Quyết định phê duyệt các tổ
chức, cá nhân trúng tuyển chủ
trì thực hiện các Đề tài năm
2007 thuộc CT KC.03/06-10

2 Số: 06/2007/HĐ-
ĐTCT-KC.03.06/06-
10, ngày 24/12/07
Hợp đồng NCKH&PTCN
6

3 Số:275/CV-ĐHBK-
KHCN, ngày 01/12/09
Công văn: Xin gia hạn thực
hiện đề tài KC03.06/06-10

4 Số 2921/QĐ-BKHCN,
ngày 21/12/2009
Quyết định: Về việc điều
chỉnh thời gian thực hiện của
đề tài KC.03.06/06-10


4. Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án:

Số
TT
Tên tổ chức
đăng ký theo
Thuyết minh
Tên tổ chức đã
tham gia thực
hiện
Nội dung
tham gia
chủ yếu
Sản phẩm
chủ yếu
đạt được
Ghi
chú*
1 Viện Nghiên
cứu Cơ khí
Viện Nghiên
cứu Cơ khí
Kiểm tra
chất lượng
mối hàn
Các kết
quả kiểm
tra đánh
giá chất
lượng mối
hàn

2 Công ty
Đóng tàu Phà
Rừng
Công ty Đóng
tàu Phà Rừng
Thử nghiệm
sản phẩm
Đánh giá
khả năng
ứng dụng
của sản
phẩm đề tài


5. Cá nhân tham gia thực hiện đề tài:
(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơquanph ối hợp,
không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)
Số
TT
Tên cá nhân
đăng ký theo
Thuyết minh
Tên cá nhân
đã tham gia
thực hiện
Nội dung
tham gia
chính
Sản phẩm
chủ yếu đạt

được
Ghi
chú*
1 PGS.TS.
Nguyễn Thúc
Hà
PGS.TS.
Nguyễn Thúc
Hà
Nghiên cứu
về công nghệ
hàn, ứng suất
biến dạng
trong hàn tàu
thuỷ.

2 TS. Nguyễn
Mạnh Tiến
TS. Nguyễn
Mạnh Tiến
Thiết kế bộ
điều khiển và
bảng lập trình
Robot. Tham
gia viết phần
mềm.

7

3 ThS. Nguyễn

Danh Huy
ThS. Nguyễn
Danh Huy
Thiết kế bộ
điều khiển và
bảng lập trình
Robot. Tham
gia viết phần
mềm.

4 ThS. Nguyễn
Hồng Thái
ThS. Nguyễn
Hồng Thái
Thiết kế các
khâu của
Robot và mô
phỏng trên
máy tính.

5 PGS.TS. Phan
Bùi Khôi
PGS.TS. Phan
Bùi Khôi
Bài toán động
học, động lực
học.

6 TS. Nguyễn
Ngọc Thành

TS. Nguyễn
Ngọc Thành
Tính toán số
bậc tự do và
vùng làm
việc cho
Robot tự
hành.

7 TS. Hoàng
Văn Châu
TS. Hoàng
Văn Châu
Thiết kế hệ
thống tạo dao
động dích dắc
đầu hàn.


6. Tình hình hợp tác quốc tế:
Số
TT
Theo kế hoạch
(Nội dung, thời gian, kinh
phí, địa điểm, tên tổ chức
hợp tác, số đoàn, số lượng
người tham gia )
Thực tế đạt được
(Nội dung, thời gian, kinh
phí, địa điểm, tên tổ chức

hợp tác, số đoàn, số lượng
người tham gia )
Ghi
chú*
1
Dự kiến hợp tác với Viện
nghiên cứu tàu thủy Thiên
Tân – Trung quốc.
Đi công tác tại Quảng Châu -
Trung Quốc, 2 người từ
13/4/08-18/4/08

2
Dự kiến hợp tác với Trường
Đại học Giao thông Thượng
hải – Trung quốc
Đi công tác tại Bắc Kinh-
Thiên Tân-Thượng Hải, 3
người từ 13/5/08-23/5/08

Kinh phí dự kiến: 135tr. Kinh phí thực tế: 135tr.

8

7. Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:
Số
TT
Theo kế hoạch
(Nội dung, thời gian, kinh
phí, địa điểm )

Thực tế đạt được
(Nội dung, thời gian,
kinh phí, địa điểm )
Ghi chú*
1 Tự động hoá quá trình hàn
trong chế tạo tàu thuỷ, 2008,
4tr.đ
Tự động hoá quá trình hàn
trong chế tạo tàu thuỷ,
2008, 4tr.đ

2 Quy trình công nghệ hàn
tàu thuỷ bằng Robot tự
hành, 2009, 4tr.đ
Quy trình công nghệ hàn
tàu thuỷ bằng Robot tự
hành, 2009, 4tr.đ


8. Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:
(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra
khảo sát trong nước và nước ngoài)
Số
TT
Các nội dung, công việc
chủ yếu
(Các mốc đánh giá chủ yếu)
Thời gian
(Bắt đầu, kết thúc
- tháng … năm)

Người,
cơquan
thực hiện
Theo kế
hoạch
Thực tế đạt
được
1 Nghiên cứu tính toán, thiết kế
Robot tự hành:
12/2007-
7/2008
12/2007-
7/2008
Cả nhóm
2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống
tạo quỹ đạo di chuyển cho
Robot tự hành.
7/2008-
8/2008
7/2008-
8/2008
Cả nhóm
3 Nghiên cứu thực nghiệm thiết
lập chế độ công nghệ hàn tự
động các mối hàn ghép nối
tổng đoạn và các mối hàn
ngang trong tàu thuỷ
8/2008-
10/2008
8/2008-

10/2008
Cả nhóm
4 Xây dựng phần mềm điều
khiển Robot tự hành
10/2008-
12/2008
10/2008-
12/2008
Cả nhóm
5 Xây dựng phần mềm điều
khiển tự động toàn bộ quá
trình hàn
1/2009-
3/2009
1/2009-
3/2009
Cả nhóm
6 Chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh
hệ thống thiết bị trên cơ sở
thiết kế đã tính toán, thiết lập
và phê duyệt
3/2009-
5/2009
3/2009-
5/2009
Cả nhóm
9

7 Tiến hành hàn thử nghiệm
trên hệ thống thiết bị đã chế

tạo, kiểm tra đánh giá chất
lượng mối hàn theo các yêu
cầu kỹ thuật của tiêu chuẩn
hàn tàu thuỷ.
5/2009-
8/2009
5/2009-
8/2009
Cả nhóm
8 Triển khai ứng dụng thử
nghiệm hệ thống thiết bị tại
cơ sở sản xuất
8/2009-
11/2009
8/2009-
3/2010
Cả nhóm
- Lý do thay đổi: Do ngành đóng tàu gặp nhiều khó khăn trong thời gian qua
nên việc ứng dụng thử nghiệm sản phẩm của đề tài bị chậm lại. Bộ Khoa Học
Công Nghệ đã đồng ý cho gia hạn đề tài đến hết 3/2010 theo quyết định số
2921/QĐ-BKHCN ký ngày 21/12/2009.

10

III. SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN
1. Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:
a) Sản phẩm Dạng I:
Số
TT
Tên sản phẩm và chỉ
tiêu chất lượng chủ yếu
Đơn
vị đo
Số
lượng
Theo kế
hoạch
Thực tế
đạt được
1 Robot hàn tự hành, bao
gồm: tay máy, bộ điều
khiển, bảng lập trình,
nguồn hàn, mỏ hàn, bộ

cấp dây hàn, đồng hồ
cấp khí bảo vệ, thiết bị
tạo dao động đầu hàn,
và hệ thống ray dẫn
hướng.
Bộ 01 01 01
b) Sản phẩm Dạng II:
Số
TT
Tên sản phẩm

Yêu cầu khoa học
cần đạt

Ghi
chú

Theo kế hoạch Thực tế đạt được
1 Bộ bản vẽ thiết
kế Robot và ray
dẫn hướng
- Bộ bản vẽ thiết kế
theo yêu cầu TCVN.
- Thiết kế được thực
hiện bằng phần mềm
AUTOCAD.
Theo kế hoạch

2 Bộ quy trình
công nghệ hàn

các mối hàn
bằng, ngang và
đứng trong chế
tạo tàu thuỷ
- QTCN hoàn chỉnh
bao gồm tất cả các
nguyên công.
- QTCN khả thi được
áp dụng trong sản xuất
thực tế và được cơ sở
sản xuất chấp thuận
bằng văn bản.
Theo kế hoạch

3 Phần mềm tính
toán và điều
khiển Robot
- Đảm bảo tốc độ tính
toán nhanh
- Giao diện thân thiện
với người sử dụng
-Theo kế hoạch
- Giao diện phần
mềm bằng tiếng
Việt




11

c) Sản phẩm Dạng III:
Số
TT
Tên sản
phẩm

Yêu cầu khoa học
cần đạt

Số lượng, nơicông
bố
(Tạp chí, nhà xuất
bản)
Theo
kế hoạch
Thực tế
đạt được
1 Bài báo khoa
học
Nội dung thông
tin khoa học có
tính mới, các kết
luận có giá trị về
lý thuyết và thực
tiễn.
Theo kế
hoạch
2 bài đăng trên tạp
chí KHCN các

trường đại học, 1 bài
đăng trên kỷ yếu
Hội nghị KHCN Cơ
khí chế tạo toàn
quốc lần 2, 11/2009.

d) Kết quả đào tạo:
Số
TT
Cấp đào tạo, Chuyên
ngành đào tạo
Số lượng
Ghi chú
(Thời gian
kết thúc)
Theo kế
hoạch
Thực tế đạt
được
1 Thạc sỹ 1-3 2 2009, 2010
2 Tiến sỹ 1 2 2014

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với giống
cây trồng:
Số
TT
Tên sản phẩm
đăng ký
Kết quả
Ghi chú

(Thời gian
kết thúc)
Theo
kế hoạch
Thực tế
đạt được
1 01 hệ thống thiết bị 01
Đã hoàn
thiện đơn
đơn đăng ký


e) Thống kê danh mục sản phẩm KHCN đã được ứng dụng vào thực tế






12

2. Đánh giá về hiệu quả do đề tài mang lại:
a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:
(Nêu rõ danh mục công nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình
độ công nghệ so với khu vực và thế giới…)
- Quy trình công nghệ hàn khả thi ứng dụng trong đóng tàu, đảm bảo mối
hàn đạt chất lượng cao.
- Tự động hóa quá trình hàn giáp mối khi ghép nối tổng đoạn vỏ tàu thủy,
-
Điều khiển số các thông số chế độ hàn bằng phần mềm cho phép thiết lập

được chế độ hàn hợp lý nhất cho phép nâng cao năng suất và chất lượng
khi hàn vỏ tàu.
- Phần mềm tính toán và điểu khiển robot do chính nhóm tác giả viết, có
giao diện bằng tiếng Việt, có nhiều tính năng tiện ích, dễ sử dụng , dễ
nâng cấp và có thể cài đặt cho nhiều thiết bị tương t
ự.

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:
(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với
các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)
- Cải thiện điều kiện lao động cho người lao động.
- Tăng năng suất lao động, giảm chi phí chế tạo đóng mới vỏ tàu.
- Đưa công nghệ đóng tàu trong nước nên mộ
t tầm cao mới ngang bằng với
các nước trong khu vực.
- Giá thành của sản phẩm sẽ giảm xuống chỉ còn khoảng 50% so với sản
phẩm nhập khẩu toàn bộ.





13

3. Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài:
Số
TT
Nội dung
Thời gian
thực hiện

Ghi chú
(Tóm tắt kết quả, kết luận
chính, người chủ trì…)
I Báo cáo định kỳ
Lần 1 9/2008
Lần 2 4/2009
II Kiểm tra định kỳ
Lần 1 10/2008 Đề tài bám sát Hợp đồng
về nội dung, cơ bản thực
hiện đúng tiến độ.
Lần 2 5/2009 Đề tài có nhiều cố gắng,
cần phải khẳng định tính
ứng dụng; Đăng ký sở
hữu trí tuệ và bài báo.
III
Nghiệm thu cơsở
27/03/2010 Hội đồng đánh giá đạt
yêu cầu, đề nghị phát
triển pha 2 để ứng dụng
vào thực tế.
IV Nghiệm thu cấp nhà
nước
Trù bị:
24/07/2010
Đánh giá:
31/07/2010
Hội đồng đánh giá đạt
loại khá, đề nghị tiếp tục
phát triển dưới dạng đề
tài hoặc dự án.

Chủ nhiệm đề tài


Thủ trưởng tổ chức chủ trì






TS. Bùi Văn Hạnh








14

Mục lục
BÁO CÁO THỐNG KÊ 3
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3
I. THÔNG TIN CHUNG 3
II. TÌNH HÌNH THỰC HIỆN 4
III. SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN 10
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 17

Danh mục các bảng 18
Danh mục các hình vẽ đồ thị 19
MỞ ĐẦU 23
Chương 1 – Thiết kế hệ thống cơ khí 32
1.1 Lựa chọn phương án chế t
ạo robot 32
1. 2 Tính toán chọn động cơ và các bộ truyền 36
1.2.1 Tính toán chọn động cơ chính và hộp giảm tốc 36
1.2.2Tính toán thiết kế chọn động cơ và hộp giảm tốc cho cơ cấu
dịch ngang đầu hàn 38
1.2.3 Tính toán thiết kế cơ cấu lên xuống đầu hàn 41
1.2.4 Tính toán thiết kế cơ cấu lắc đầu hàn 42
1.3 Thiết kế ray dẫn hướng 44
1.3.1 Phân tích các ph
ương án sử dụng hệ thống tạo quỹ đạo xe hàn tự
hành 44
1.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế 51
Chương 2 – Thiết kế, chế tạo, lắp ráp hệ thống điều khiển 52
2.1. Hệ thống điều khiển bám quĩ đạo cho robot hàn tự hành 52
2.1.1. Mô hình toán học robot 52
2.1.2. Hệ thống điều khiển một khớp 55
2.1.3. Cấu trúc hệ th
ống điều khiển robot 57
2.2. Tính năng, cấu tạo các thiết bị phần cứng trong hệ thống điều khiển . 58
2.2.1 Máy tính nhúng công nghiệp (Industrial Embeded computer) 58
2.2.2 Card điều khiển vị trí 4 trục (4 axes control card) 58
2.2.3 Bảng mạch ghép nối (Interface Board) 58
2.2.4 Màn hình cảm ứng (Monitor + Touch Screen) 59
2.2.5 Các núm điều khiển (Control button Keypad) 60
2.2.6 Hệ truyền động servo xoay chiều (AC servo motion system) 60

2.3. Ghép nối thiết bị trong hệ thống
điều khiển robot hàn tự hành 62
2.3.1 Ghép nối máy tính PCM-3380 và card PCM-3240 64
2.3.2 Ghép nối card PCM-3240 với board ADAM-3952-J2S 65
15

2.3.3 Ghép nối ADAM-3952-J2S với các biến tần MR-J2S 75
2.3.4 Ghép nối biến tần với động cơ và encorder 80
2.3.5 Điều khiển phanh điện từ của động cơ 81
2.4 Chế tạo và lắp ráp bảng dạy – Teaching Pendant 83
2.4.1 Chức năng và nhiệm vụ của bảng dạy 83
2.4.2 Các thiết bị trên bảng dạy 84
2.4.3 Các yêu cầu kỹ thuật 84
2.4.4 Thiết kế, ch
ế tạo và lắp ráp 85
2.5. Ghép nối bảng dạy với tủ điều khiển và máy tính công nghiệp 87
2.6. Chế tạo và lắp ráp hộp vận hành – Operation Box 90
2.6.1 Chức năng và nhiệm vụ của hộp vận hành 90
2.6.2 Các yêu cầu kỹ thuật 90
2.6.3 Thiết kế, chế tạo và lắp ráp 90
2.6.4 Ghép nối bảng dạy với máy tính 92
2.7 Thiết kế, chế tạo, lắ
p đặt tủ điều khiển robot 92
Chương 3- Xây dựng phần mềm tính toán và điều khiển robot 100
3.1 . Môđun vào ra số liệu 100
3.1.1 Nhiệm vụ của môđun vào ra số liệu 100
3.1.2 Giải pháp phần cứng 101
3.1.3 Giải pháp phần mềm chương trình 101
3.2 . Mô đun điều khiển cơ cấu chấp hành 106
3.2.1 Nhiệm vụ của môđun 106

3.2.2 Giải pháp ph
ần cứng 107
3.2.3 Giải pháp phần mềm chương trình 107
3.3. Mô đun tính toán và nội suy 109
3.3.1. Thuật toán nội suy quĩ đạo cho robot hàn tự hành 109
3.3.2. Thuật toán nội suy spline bậc 3 109
3.3.3. Cơ cấu robot tự hành 111
3.3.4. Thuật toán nội suy quỹ đạo di chuyển đầu hàn……………………113
3.3.5.Mô hình hệ thống điều khiển robot hàn tự hành 114
3.4. Thiết kế giao diện vận hành và điều khiển 115
3.4.1 Nhiệm vụ của giao diện 115
3.4.2 Các giao diện trong chương trình 115
3.4.3 Mô tả chi tiết nhiệm vụ các PANEL 116
3.5 . Lập trình điều khiển trên nền Windows 125
3.5.1 Yêu cầu chươngn trình 125
3.5.2 Các chương trình chính 125
3.5.3 C
ấu trúc cây của chương trình 126
3.5.4 Lưu đồ chương trình 126
3.6 Kết luận 128
Chương 4 – Xây dựng quy trình công nghệ hàn vỏ tàu 129
16

4.1. Nghiên cứu xác định chế độ hàn 130
4.1.2. Cơ sở lý thuyết xác định chế độ hàn giáp mối 131
4.1.3. Tính toán xác định chế độ hàn giáp mối 140
4.1.4. Tính toán chế độ hàn cho các mối hàn góc 164
4.2. Nghiên cứu thực nghiệm xác định bộ thông số chế độ hàn 181
4.2.1 Chuẩn bị chi tiết hàn 181
4.3. Thí nghiệm và kết quả 188

4.3.1. Mẫu hàn thử 188
4.3.2. Mẫu thử cơ tính 189
4.3.3. Kết quả
thí nghiệm 211
Kết quả đạt được 218
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 221
TÀI LIỆU THAM KHẢO 225

PHỤ LỤC 227

17

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt


LCD : Liquid Crystal Display
VGA : Video Graphics Array
VDC : Nguồn một chiều
VAC : Nguồn xoay chiều
MIG : Metal Inert Gas
MAG : Metal Active Gas
1G : Tư thế hàn sấp
2G : Tư thế hàn ngang
3G : Tư thế hàn đứng
3Gu : Tư thế hàn đứng từ dưới lên (leo)
4G : Tư thế hàn trần
TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

18

Danh mục các bảng

Bảng 4.1. Mật độ dòng điện 132
Bảng 4.2. Tốc độ cấp dây, cường độ dòng điện hàn khi hàn trong CO
2
132
Bảng 4.3. Trị số N theo đường kính dây 134
Bảng 4.4. Bảng thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 12mm, dây lõi bột 142
Bảng 4.5. Bảng thông số hàn cho tư thế 2G, chiều dày 12mm, dây lõi bột 145
Bảng 4.6. Bảng thông số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 12mm, dây lõi bột 147
Bảng 4.7. Bảng thông số hàn cho tư thế 4G, chiều dày 12mm, dây lõi bột 149
Bảng 4.8. Bảng thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 12mm, dây lõi đặc 151
Bảng 4.9. Bảng thông số hàn cho tư th
ế 2G, chiều dày 12mm, dây lõi đặc 153
Bảng 4.10. Bảng thông số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 12mm, dây lõi đặc 155
Bảng 4.11. Bảng thông số hàn cho tư thế 4G, chiều dày 12mm, dây lõi đặc 157
Bảng 4.12. Bảng thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 18mm, dây lõi bột 157
Bảng 4.13. Bảng thông số hàn cho tư thế 2G, chiều dày 18mm, dây lõi bột 158
Bảng 4.15. Bảng thông số hàn cho tư thế 4G, chiều dày 18mm, dây lõi bột 159
Bảng 4.16. Bảng thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 18mm, dây lõi đặ
c 159
Bảng 4.17. Bảng thông số hàn cho tư thế 2G, chiều dày 18mm, dây lõi đặc 160
Bảng 4.18. Bảng thông số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 18mm, dây lõi đặc 160
Bảng 4.19. Bảng thông số hàn cho tư thế 4G, chiều dày 18mm, dây lõi đặc 160
Bảng 4.20. Bảng thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 24mm, dây lõi bột 162
Bảng 4.21. Bảng thông số hàn cho tư thế 2G, chiều dày 24mm, dây lõi bột 162

Bảng 4.22. Bảng thông số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 24mm, dây lõi bột 162
Bảng 4.23. B
ảng thông số hàn cho tư thế 4G, chiều dày 24mm, dây lõi bột 163
Bảng 4.24. Bảng thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 24mm, dây lõi đặc 163
Bảng 4.25. Bảng thông số hàn cho tư thế 2G, chiều dày 24mm, dây lõi đặc 163
Bảng 4.26. Bảng thông số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 24mm, dây lõi đặc 164
Bảng 4.27. Bảng thông số hàn cho tư thế 4G, chiều dày 24mm, dây lõi đặc 164
Bảng 4.28. Phạm vi cho phép của mật độ dòng điện 174
Bảng 4.29. Các giá trị của m theo đườ
ng kính dây 175
Bảng 4.30. Các kích thước của liên kết hàn góc 178
Bảng 4.31. Chế độ hàn mối hàn góc vật hàn dày 12 mm 179
Bảng 4.32. Chế độ hàn mối hàn góc vật hàn dày 18 mm 179
Bảng 4.33. Chế độ hàn mối hàn góc vật hàn dày 24 mm 180
Bảng 4. 34. Thông số kỹ thuật của máy cắt 183
Bảng 4.35. Thông số chế độ cắt 184
Bảng 4.36. Kích thước mối hàn giáp mối 185
Bảng 4.37. Kích thước của mẫu thử kéo 191
Bảng 4.38. Kích thước m
ẫu xác định độ bền 192
Bảng 4.39. Kích thước mẫu thử uốn tĩnh 198
Bảng 4.40. Kết quả thử kéo 212
Bảng 4.41. Kết quả thử uốn 215
Bảng 4.42. Kết quả thử độ dai va đập 216

19

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Sơ đồ động học robot hàn tự hành 32

Hình 1.2 Nguyên lý cơ cấu dịch chuyển dọc trục mối hàn 33
Hình 1.3 Hộp giảm tốc bánh răng sóng 34
Hình 1.4 Cơ cấu dịch ngang mỏ hàn 34
Hình 1.5 Cơ cấu lên xuốngđầu hàn 35
Hình 1.6 Cơ cấu lắc đầu hàn 36
Hình 1.7 Xe hàn Railtrac 1000 thực hiện các mối hàn leo 44
Hình 1.8 Xe hàn BUG-O-MATIC 46
Hình 1.9 Ray Tròn … 46
Hình 1.10 Ray mềm 46
Hình 1.11 Định vị ray bằng nam châm vĩnh cửu 47
Hình 1.12 Các dạng kết c
ấu cố định ray bằng nam châm vĩnh cửu 47
Hình 1.13 Ray và hệ thống ray dùng nam châm vĩnh cửu 48
Hình 1.14 Ray có độ uốn lớn 48
Hình 1.15 Các loại ray và cơ cấu hút chân không 50
Hình 2.1. Mô tả động học cơ cấu robot 52
Hình 2.2 . Cơ cấu chuyển động của khớp robot 52
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động…………………………… … 54
Hình 2.4. Sơ đồ hệ thống điều khiển cho một khớp……………………………… 55
Hình 2.5. Sơ đồ khối tổ
ng thể hệ thống điều khiển vị trí các trục 57
Hình 2.6. Cấu tạo máy tính nhúng PCM-3380 58
Hình 2.7. Cấu tạo mạch ghép nối ADAM-3952/J2S 59
Hình 2.8. Sơ đồ cơ bản đấu nối cho biến tần MR-J2S 61
Hình 2.9. Sơ đồ ghép nối tổng quát các thiết bị 63
Hình 2.10. Cấu tạo bảng mạch ghép nối PCM 3717 64
Hình 2.11. Cấu tạo và chức năng các giắc của adapter PCM-3117 65
Hình 2.12. Ghép nối các tín hiệu điều khiển giữa card điề
u khiển 66
PCM-3240 và biến tần MR-J2S 66

Hình 2.13. Các tín hiệu tương ứng giữa PCM-3240 và ADAM-3952 67
Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý mạch ghép PCM-3240 Æ ADAM3952 68
20

Hình 2.15. Mạch ghép PCM-3240 Æ ADAM3952 – mặt trên 69
Hình 2.16. Mạch ghép PCM-3240 Æ ADAM3952 – mặt dưới 69
Hình 2.17. Cấu tạo bảng mạch ADAM-3952 75
Hình 2.18. Ghép nối cáp điều khiển giữa ADAM-3952 với MR-J2S 76
Hình 2.19. Thứ tự các tín hiệu trên cáp CAN và CNB 77
Hình 2.20. Sơ đồ chân ghép nối động cơ và encorder với biến tần 81
Hình 2.21. Sơ đồ mạch điều khiển phanh điện từ 82
Hình 2.22 Bảng mạch điều khiển phanh 83
Hình 2.23. Kết cấu bảng dạy 85
Hình 2.24. Kích thước chế tạo vỏ hộp bảng dạy 86
Hình 2.25. Bố trí mặt bảng dạy 86
Hình 2.26. Sơ đồ mạch ghép nối nút điều khiển với cổng LPT 88
Hình 2.27. Mạch in mạch ghép nối nút điều khiển (mặt trên) 89
Hình 2.28. Mạch in ghép nối nút điều khiển (mặt dưới) 89
Hình 2.29. Kích thước và bố trí trên hộp vận hành 91
Hình 2.30. Kích thước mặt trước tủ điều khiển 93
Hình 2.31. Kích thước mặ
t phải tủ điều khiển 94
Hình 2.32. Kích thước mặt trái tủ điều khiển 95
Hình 2.33. Bố trí thiết bị trong tủ nhìn từ phía trước 96
Hình 2.34. Bố trí thiết bị trong tủ nhìn từ bên phải 97
Hình 2.35. Kích thước chế tạo bảng lắp ráp các giắc nối điều khiển 98
Hình 2.36. Kích thước chế tạo bảng lắp ráp các dây nối động cơ và encoder 99
Hình 3.1. Lưu đồ chức năng chương trình 102
Hinh 3.2. Panel đ
iều khiển bằng tay robot……………………………………… 104

Hinh 3.3. Nhập dữ liệu từ màn hình TOUCH _SCREEN 105
Hinh 3.4. Panel chỉnh sửa số liệu………………………………………… ……106
Hình 3.5. Mô hình cơ cấu robot hàn tự hành…………………………… ………112
Hình 3.6. Nội suy theo đường cong phi tuyến……………………………………112
Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán nội suy thô quĩ đạo hàn…………………………… 113
Hình 3.8 . Cấu hình hệ thống điều khiển servo robot hàn tự hành 4 trục……… 114
Hình 3.9. PANEL màn hình chính……………………………………………….116
Hình 3.10. PANEL Đăng nhập màn hình……………………………………… 117
21

Hình 3.11 PANEL Điểm-Điểm 118
Hình 3.12 PANEL lập trình đường thẳng 119
Hình 3.13. PANEL lập trình đường tròn 120
Hình 3.14. PANEL PANEL Lập trình đường cong bất kỳ (spline) 120
Hình 3.15. PANEL điều khiển máy hàn – lệnh gây hồ 121
Hình 3.16. PANEL điều khiển lắc đầu hàn…… 121
Hình 3.17. Panel điều khiển bằng tay……………………………………… ….122
Hình 3.18. PANEL NUM phục vụ nhập số liệu từ màn hình TOUCH
_SCREEN…………………………………………………………………….… 123
Hình 3.19. PANEL Trợ giúp hướng dẫn sử dụng và lập trình điều khiển trên
robot………………………………………………………………………… … 124
Hình 3.20. Màn hình lập trình và cấu trúc dạng cây của chương trình… … …126
Hình 4.1. Dây hàn MAG…………………………………………………….… 131
Hình 4.2. Các ký hiệu kích thước liên kết hàn……………………………….… 140
Hình 4.3. Liên kết hàn giáp mối tư thế 1G, 3G và 4G chiều dày 12 mm 140
Hình 4.4. Liên kết hàn giáp mối tư thế 2G chiều dày 12 mm 143
Hình 4.5. Liên kết hàn giáp mối tư thế 1G, 3G và 4G chiều dày 18 mm . 157
Hình 4.6. Liên kết hàn giáp mối tư thế 2G chiều dày 18 mm 158
Hình 4.7. Liên kết hàn giáp mối tư thế 1G, 3G và 4G chiều dày 24 mm 161
Hình 4.8. Liên kết hàn giáp mối tư thế 2G chiều dày 24 mm 161

Hình 4.9. Liên kết hàn giáp mối không vát mép không có khe hở hàn từ hai
phía 165
Hình 4.10. Sự phụ thuộc của ψ
n
vào cường độ dòng điện hàn (dòng xoay chiều) 167
Hình 4.11. Sự phụ thuộc của α
đ
vào chế độ hàn 168
Hình 4.12. Ảnh hưởng của kiểu liên kết hàn, khe hở hàn và sự vát mép đến tiết diện
ngang của mối hàn 172
Hình 4.13. Chiều cao của mối hàn khi hàn liên kết có vát mép và có khe hở
hàn 173
Hình 4.14. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và tốc độ hàn 175
Hình 4.15. Tiết diện ngang của kim loại đắp mối hàn góc có vát mép 176
Hình 4.16. Máy cắt khí oxy-axêtylen IK-12BEETLE 182
Hình 4.17. Liên kết giáp mối vỏ tàu 185
22

Hình 4.18. Khả năng làm việc của máy
Hình 4.19. Mẫu hàn thử……………………………… 188
Hình 4.20. Tách mẫu…………… 190
Hình 4.21. Mẫu hàn giáp mối: a)- loại bình thường; b)- loại có vấu 191
Hình 4.22. Mẫu xác định độ bền 192
Hình 4.23. Kích thước mẫu thử kéo 193
Hình 4.24. Mẫu thử kéo kim loại đắp: a)- hình dáng; b)- phê chuẩn WPS……….194
Hình 4.25. Quan hệ giữa độ giãn dài tương đối với ứng suất kéo 195
Hình 4.26. Kích thước mẫu thử kim loại đắp 195
Hình 4.27. Mẫu thử uốn: a)- mố
i hàn dọc; b)- mối hàn ngang 196
Hình 4.28. Thử uốn tĩnh 197

Hình 4.29. Thử uốn theo tiêu chuẩn AWS D1.1 198
Hình 4.30. Kích thước mẫu thử uốn 199
Hình 4.31. Mẫu bẻ gãy mối hàn giáp mối 200
Hình 4.32. Mẫu thử CTOD 201
Hình 4.33. Sơ đồ thử độ dai phá huỷ 202
Hình 4.34. Giá trị độ cứngHB tại các điểm 203
Hình 4.35. Thiết bị và mũi đo độ cứng theo phương pháp Vickers 204
Hình 4.36. Nhiệt độ chuyển tiếp 206
Hình 4.37. Mẫu chuẩn đầy đủ thử dai va
đập 207
Hình 4.38. Nơi lấy mẫu thử tiêu biểu 207
Hình 4.39. Máy thử va đập và vị trí búa đập 208
Hình 4.40. Thông tin phá huỷ giòn và dẻo 209
Hình 4.41. Đường cong mỏi 210
Hình 4.42. Quan hệ giữa ứng suất tới hạn và độ bền mỏi 211
Hình 4.43. Giới hạn chảy của các mối hàn 213
Hình 4.44. Giới hạn bền của các mối hàn 214
Hình 4.45. Độ dai va đập của mối hàn 217




23

MỞ ĐẦU
Mục tiêu của đề tài:
- Tự động hoá nguyên công hàn vỏ tàu bằng việc sử dụng robot tự hành chế
tạo tại Việt Nam đáp ứng nhu cầu hàn tấm lớn với chất lượng cao của công
nghiệp đóng tàu thuỷ Việt Nam.
- Nghiên cứu tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh và điều khiển một hệ

thống Robot hàn tự hành bao gồm Robot tự hành, thiết bị
hàn, thiết bị tạo dao
động dích dắc đầu hàn, thiết bị tạo quỹ đạo di chuyển của Robot, có các chỉ
tiêu và tính năng kỹ thuật tương đương với thiết bị cùng loại của các nước
trong khu vực, đảm bảo thực hiện được các mối hàn đạt chất lượng theo
TCVN, ứng dụng cho ít nhất một cơ sở đóng tàu trong nước.
Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vự
c của Đề tài:
Ngoài nước:
Trên thế giới, lĩnh vực đóng tàu đang hết sức phát triển với sự tham gia của
nhiều công trình nghiên cứu trên mọi lĩnh vực. Công nghệ hàn chiếm một vị
trí quan trọng thiết yếu đối với ngành đóng tàu, do vậy xu thế phát triển của
công nghệ hàn ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của công nghiệp đóng
tàu.
Trong những nă
m 80 của thế kỷ trước, trong các nhà máy đóng tàu trên thế
giới, quá trình hàn thường được thực hiện bởi người công nhân. Nhưng với
quy mô sản xuất ngày càng gia tăng nên công việc cơ khí hóa, tự động hóa
các quá trình hàn đã được đưa vào áp dụng. Khác với các lĩnh vực khác, kết
cấu tàu thủy có kích thước và khối lượng lớn, đồng thời phải thi công cả ở
trong nhà xưởng lẫn ngoài công trường. Nên việc cơ khí hóa, tự độ
ng hóa
cũng có những đặc thù rất riêng.
Có thể kể đến công trình nghiên cứu đầu tiên trong việc cơ khí hóa quá trình
hàn trong đóng tàu là việc thiết kế các loại xe hàn dùng cho quá trình cắt khí
khi gia công các tấm vỏ tàu. Tiếp theo là áp dụng vào quá trình hàn hồ quang
24

nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ. Hãng BUG-O của Mỹ và ESAB
(Thụy Điển) được coi là những đơn vị đi tiên phong trong vấn đề này khi cho

ra các cơ cấu dùng để hàn ghép nối tổng đoạn (đấu đà) ở tư thế hàn thẳng
đứng từ dưới lên và hàn các mối hàn ngang trên vỏ tàu tại công trường .
Phương pháp này đã tăng cao năng suất và chất lượng của quá trình hàn lên
rất nhiều, tăng năng su
ất tới 60% so với thực hiện bằng tay. Tuy nhiên mức
độ cơ khí hóa – tự động hóa ở đây mới dừng ở mức dẫn hướng cưỡng bức đầu
hàn với kết cấu như trên hình 2, do vậy chỉ thích hợp khi đường hàn thẳng và
khe hở hàn đồng đều – điều này rất khó đạt được khi lắp giáp kết cấu vỏ tàu.
Hướng phát triển tiếp theo cũng được chính hãng BUG-O phát triển
đó là điều
khiển cưỡng bức đầu hàn theo hai phương dọc trục mối hàn và ngang. Với kỹ
thuật này, người thao tác phải theo dõi rất tỉ mỉ vị trí của hồ quang và dùng bộ
phận điều khiển từ xa điều chỉnh vị trí của mỏ hàn luôn dịch chuyển đúng
theo mép hàn. Song song với BUG-O, ESAB cũng cho ra hệ thống thiết bị
tương tự là FWR-1000.
Sự phát triển ti
ếp theo có thể kể đến đó là công trình nghiên cứu của hãng AP-
Automation (Mỹ) khi đưa công nghệ sử dụng dầu dò mép hàn vào để điều
chỉnh tự động sự di chuyển của đầu hàn. Tuy nhiên đầu dò được sử dụng ở
đây là sensor cơ khí, do vậy nó mới chỉ phù hợp với các loại mép hàn đơn
giản nhưng cũng là bước phát triển lớn khi áp dụng cho hàn vỏ tàu.
Sau khi thiết bị hàn tự
động dò mép hàn được ứng dụng tốt cho công nghiệp
đóng tàu cũng như các lĩnh vực khác, hướng phát triển tiếp theo trong tự động
hóa quá trình hàn đóng tàu chuyển sang nghiên cứu phương pháp dò tự động
đầu hàn song song với sự phát triển của công nghệ sensor và lập trình điều
khiển với phát triển nở rộ nhất phải kể đến là áp dụng công nghệ điều khiển
của robot công nghiệp.
Các công trình nghiên cứu xử
lý tín hiệu đầu dò được áp dụng cho tự động

hóa quá trình hàn trong ngành đóng tàu gần đây nhất:
25

1. Xác định mép hàn dựa trên công nghệ xử lý tín hiệu hình ảnh từ camera
CCD với nguồn phát là chùm tia laser của Viện nghiên cứu công nghiệp
Auckland, New Zealand.
2. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý tín hiệu nhận từ sensor cho hệ thống
Robot hàn với điều khiển thời gian thực – Đại học công nghệ Thiên Tân –
Trung Quốc.
3. Nghiên cứu ứng dụng đầu dò laser cho hàn tự động trong công nghiệp tàu
thủy – Viện công nghệ đ
iều khiển và gia công cắt gọt – Stuttgard, Đức.
Trong giai đoạn hiện nay, công nghiệp đóng tàu đang chuyển dần về khu vực
Đông Á. Tại khu vực này đang có sự cạnh tranh quyết liệt về khoa học kỹ
thuật và công nghệ đóng mới tàu thủy. Để giữ được vị trí cao trong lĩnh vực
đóng tàu, Hàn quốc đã vạch ra chiến lược đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng
các hệ
thống tự động sản xuất, trong đó có các loại Robot để nhằm nâng cao
năng suất, đáp ứng các yêu cầu về chất lượng. Các hội thảo khoa học gần đây
đã cho thấy việc triển khai chiến lược phát triển trên đang được các nhà khoa
học các nước quan tâm.
Trong nước: Trong ngành đóng tàu, công việc hàn là một trong những công
việc quan trọng nhất, công việc này chiếm phần lớn trong việc chế
tạo một
con tàu. Theo thống kê của Công ty Đóng tàu Phà Rừng, tổng chiều dài
đường hàn trong một con tàu có thể ứng dụng tự động hoá khi thực hiện các
mối hàn như sau:
Loại tàu Loại liên kết / Vị trí thực hiện
Chiều dài
đường

hàn (m)
Tàu chở
hàng rời,
Tải trọng
20.000 tấn
1/ Mối hàn góc nằm ngang/khi đóng khối đáy 10,584
2/ Mối hàn góc nằm ngang/đóng khối mạn &
boong

15,120
3/ Mối hàn giáp mối vị trí đứng/khi đấu đà 388
4/ Mối hàn giáp mối vị trí nằm ngang/khi đấu đà 980
Tổng cộng 27,072