nghiên cứu thiết kế cảm biến hàn hồ quang quay ứng dụng trong việc dò đường hàn

i


ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM
SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ




BÁO CÁO NGHIỆM THU
(Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu)


NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN HÀN HỒ QUANG
QUAY PHỤC VỤ DÒ ĐƯỜNG HÀN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
THÁNG 12/ 2012
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
(Ký tên)




PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến

CƠ QUAN QUẢN LÝ
(Ký tên/đóng dấu xác nhận)
CƠ QUAN CHỦ TRÌ
(Ký tên/đóng dấu xác nhận)


ii

ĐỀ TÀI
Hiện nay, công nghiệp hàn đòi hỏi lực lƣợng robot hàn hiện đại nhằm đạt đƣợc
mối hàn có chất lƣợng và năng suất cao với giá thành hạ. Khả năng dò đƣờng hàn của
robot hàn có vai trò rất quan trọng đến độ chính xác của robot hàn và cũng là yếu tố
quyết định chất lƣợng của mối hàn. Có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển robot hàn
thực hiện tác vụ dò theo đƣờng hàn tƣơng ứng với nhiều loại cảm biến đƣợc sử dụng
nhƣ: cảm biến đầu dò tiếp xúc, cảm biến tiếp xúc điện cực, cảm biến nhiệt độ, cảm
biến hồ quang, cảm biến quang học, cảm biến siêu âm …
Bài toán dò đƣờng hàn bằng cảm biến hàn hồ quang quay dựa trên cơ sở hiện

tƣợng biến đổi cƣờng độ dòng điện hàn khi đầu hàn vừa quay vƣa di chuyển bám theo
rãnh hàn. Khi đầu hàn quay trong mối hàn rãnh chữ “V”, dựa vào giá trị cƣờng độ
dòng điện hồ quang theo từng chu kỳ ta xác định đƣợc hƣớng lệch và độ lệch của đầu
hàn đối với đƣờng hàn theo thời gian thực. Đây là cơ sở cho bài toán điều khiển đầu
hàn bám theo rãnh hàn.
Có nhiều giải thuật điều khiển có thể áp dụng để điều chỉnh đầu hàn bám theo
rãnh hàn áp dụng cảm biến hàn hồ quang quay nhƣ điều khiển mờ, điều khiển neural
network, hệ điều khiển thích nghi, hệ lai giữa neural network và fuzzy….Đề tài này
tập trung nghiên cứu áp dụng điều khiển fuzzy - PID vào bài toán bám đƣờng hàn sử
dụng cảm biến hồ quang quay.


iii


1 TỔNG QUAN 0
1.1 KHÁI NIỆM 0
1.1.1 Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ 1
1.1.2 Các loại cảm biến hàn 2
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI 7
2 9
2.1 9
2.1.1 9
2.1.2 11
2.2 12
3 MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 13
3.1 13
3.2 16
3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 18
3.3.1 Xác định độ lệch cƣờng độ dòng và hƣớng lệch của đầu hàn 18

3.3.2 Giải thuật điều khiển 21
3.3.3 Mô phỏng quá trình hàn dùng bộ điều khiển mờ 26
4 30
4.1 30
4.2 CẢM BIẾN ĐO DÒNG VÀ NGUỒN ĐIỆN HÀN 30
4.2.1 Cảm biến Hall 30
4.2.2 Máy hàn 32


iv

4.3 32
4.4 35
4.4.1 Kiểm nghiệm độ bền trục dọc 36
4.4.2 Kiểm nghiệm độ bền trục ngang 38
4.5 CƠ CẤU GÁ KẸP PHÔI HÀN 40
4.6 TỔNG THỂ MÔ HÌNH CƠ KHÍ 41
4.7 42
4.7.1 Khối mạch nguồn 48
4.7.2 Khối driver điều khiển động cơ 50
4.7.3 Khối giao tiếp với máy tính 51
4.7.4 Khối đọc tín hiệu cƣờng độ dòng điện hàn 52
4.7.5 Mạch điện thực tế sau cùng 53
5 54
5.1 MỘT SỐ NGUYÊN TẮC LẤY MẪU 54
5.1.1 Định lý lấy mẫu 54
5.2 PHƢƠNG PHÁP LỌC DÙNG CHUYỂN ĐỔI FOURIER 57
5.2.1 57
5.2.2 57
5.2.3 58

5.2.4 ỨNG DỤNG LỌC FFT VÀO XỬ LÝ TÍN HIỆU HÀN 59
6 62
6.1 CHƢƠNG TRÌNH CHÍNH 62
6.2 CÁC CHƢƠNG TRÌNH CON 62
6.3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC HÀN (PID VẬN TỐC) 66


v

7 70
7.1 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC33F256MC710 70
7.2 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN TMS320F28335 72
7.3 SAI SỐ MỐI HÀN 76
7.3.1 PHƢƠNG PHÁP ĐO SAI SỐ MỐI HÀN 77
7.3.2 KẾT QUẢ ĐO RÃNH 1 77
7.3.3 KẾT QUẢ ĐO RÃNH 2 81
7.3.4 ĐƢỜNG HÀN THỨ BA 84
7.3.5 ĐƢỜNG HÀN THỨ TƢ 87
7.4 KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH MỐI HÀN 90
7.4.1 MẪU 1 90
7.4.2 MẪU 2 91
7.4.3 MẪU 3 92
7.4.4 MẪU 4 93
7.4.5 MẪU 5 94
8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95
PHỤ LỤC 97
98

vi


Hình 1-1 Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bả .
(1):Hƣớng hàn; (2):Đầu hàn; (3):Điện cực; (4):Khí bảo vệ; (5):Kim loại hàn nóng
chảy; (6):Vết hàn; (7): Phôi hàn 1
- 4
Hình 1-3 Cảm biế 4
Hình 1-4 Cảm biến lazer quang học 5
Hình 1-5 Cảm biến siêu âm 6
Hình 1-6 Nguyên lý cảm biến hồ quang 6
Hình 2-1 Mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ quang 9
Hình 2-2 Mô hình lý thuyết hàn và dòng điện hàn.(a):Mô hình hàn; (b):Độ lệch
đầu hàn; (c):Cƣờng độ dòng điện mô phỏng quá trình hàn 11
Hình 2-3 Phƣơng pháp tiếp cận, nghiên cứu đề tài 12
Hình 3-1 Mô hình toán học tƣơng đƣơng quá trình hàn MIG/MAG 13
Hình 3-2 Mô hình tính chiều dài hồ quang 14
Hình 3-3 16
Hình 3-4
- ) 17
Hình 3-5
17
Hình 3-6 Nguyên tắc xác định hƣớng lệch đầu hàn 20
Hình 3-7 Tổng quan mô hình bộ điều khiển dùng Fuzzy 22
Hình 3-8 Hàm liên thuộc của đầu vào ei 23
Hình 3-9 Hàm liên thuộc của đầu vào dei 23


vii

Hình 3-10 Hàm liên thuộc của đầu ra distance 24
- . 27
Hì - 28
- 28
- (s – mm/s) 29
- (s – mm) 29
Hình 4-1Cảm biến Hall đo dòng điện hàn 31
Hình 4-2 Mô hình tổng thể cơ cấu quay đầu hàn 32
Hình 4-3 Kết cấu truyền động cơ cấu quay đầu hàn 34
Hình 4-4 Mô hình tổng quan bàn máy 2D 35
Hình 4-5 Cơ cấu kẹp phôi 41
Hình 4-6 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi thẳng 41
Hình 4-7 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi cong 42
Hình 4-8 Tổng quan mô hình điều khiển 44
Hình 4-9 Mạch điều khiển trung tâm 44
Hình 4-10 Mạch Slave điều khiển động cơ 45
Hình 4-11 Sơ đồ khối chức năng của TMS320F28335 47
Hình 4-12 Sơ đồ khối hoạt động của mạch điện dùng TMS320F28335 48
Hình 4-13 Khối ổn áp nguồn logic 49
Hình 4-14 Khối nguồn cho lõi TMS320F28335 50
Hình 4-15 Khối Driver điều khiển động cơ dùng LMD18201 50
Hình 4-16 Khối truyền thông nối tiếp với máy tính dùng PL2303HX 51
Hình 4-17 Mạch nối nguồn cho Hall sensor và bộ lọc thông thấp (Theo
SLOA024B-Texas Instrument-9/2002) 52


viii

Hình 4-18 Mạch điều khiển và Mạch nạp 53
Hình 4-19 Mạch driver điều khiển động cơ 53

Hình 5-1 Bộ lấy mẫu lý tƣởng 54
Hình 5-2 Phổ bị lặp do lấy mẫu 55
Hình 5-3 Bộ tiền lọc chống chồng lấn phổ - Lọc thông thấp 56
Hình 5-4 Bộ tiền lọc chống chồng lấn phổ thực tế 56
Hình 5-5 Lọc FFT 128 điểm tìm độ lệch cƣờng độ dòng điện 61
Hình 6-1 Giải thuật điều khiển cho chƣơng trình chính 62
Hình 6-2 Chƣơng trình con đọc ADC 63
Hình 6-3 Chƣơng trình tìm các cực trị 63
Hình 6-4 Chƣơng trình tìm cực đại 64
Hình 6-5 Chƣơng trình tìm cực tiểu 64
Hình 6-6 Giải thuật điều khiển chính 65
Hình 6-7 Giải thuật tính toán bộ điều khiển fuzzy 66
Hình 6-8 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 67
Hình 6-9 Lƣu đồ giải thuật bộ điều khiển PID 69
Hình 7-1 Cƣờng độ dòng điện hàn thu đƣợc từ vi điều khiển 70
Hình 7-2 Cƣờng độ dòng hàn (phóng to) 71
Hình 7-3 Cƣờng độ dòng hàn sau khi lọc FFT 71
Hình 7-4 Cƣờng độ dòng sau lọc (phóng to) 72
Hình 7-5 Toàn bộ tín hiệu cƣờng độ dòng hàn trong 25s 72
Hình 7-6 Cƣờng độ dòng hàn (phóng to ở đoạn đầu) 73
Hình 7-7 Một đoạn tín hiệu cƣờng độ dòng điện có 2 cực trị 73
Hình 7-8 Một đoạn tín hiệu cƣờng độ dòng điện có 4 cực trị 74


ix

Hình 7-9 Mô hình cơ khí hệ thống hàn thực nghiệm 75
Hình 7-10 Kết quả hàn thực nghiệm 76
Hình 7-11 Mối hàn và cách đo sai lệch tâm quay đầu hàn so với tâm rãnh hàn 77
Hình 7-12 Đƣờng Cong Gốc 79

Hình 7-13 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 80
Hình 7-14 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ nhất 80
Hình 7-15 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 83
Hình 7-16 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ hai 84
Hình 7-17 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 86
Hình 7-18 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ ba 87
Hình 7-19 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 89
Hình 7-20 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ tƣ 89
Hình 7-21 Ảnh mẫu sau khi tẩm thực 90
Hình 7-22 Ảnh tế vi tại mối hàn 90
Hình 7-23 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 91
Hình 7-24 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 91
Hình 7-25 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 92
Hình 7-26 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 92
Hình 7-27 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 93
Hình 7-28 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 93
Hình 7-29 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 94
Hình 7-30 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 94




x


Bả - 2
Bảng 3-1 Các luật suy diễn mờ 25
Bảng 4-1Thông số cảm biến Hall 31
Bảng 4-2 Thông số đặc tính cơ cấu quay đầu hàn 33
Bảng 4-3 Thông số thiết kế bàn máy 35

Bảng 4-4 Các thông số thiết kế cơ cấu gá kẹp phôi hàn 40
Bảng 4-5 Các thống số mô hình cơ khí hoàn chỉnh 42



xi

BẢNG QUYẾT TOÁN
Tổng kinh phí đƣợc duyệt: 320.000.000 đ
Kinh phí cấp giai đoạn 1: 200.000.000đ (Theo thông báo số: 284/ TBKHCN,
ngày 21 tháng 12 năm 2010)
Kinh phí cấp giai đoạn 2: 90.000.000 đ
Đơn vị tính: 1000đ
TT
Nội dung
Kinh
phí
Trong đó



Ngân
sách
Nguồn khác
I
Kinh phí đƣợc cấp trong năm
200,000
200,000

II

Kinh phí quyết toán trong năm
200,000
200,000

o
Công chất xám
6,000
6,000

o
Công thuê khoán
110,930
110,930

o
Nguyên, nhiên, vật liệu, dụng cụ,
phụ tùng, văn phòng phẩm
75,300
75,300

o
Thiết bị



o
Xét duyệt, giám định, nghiệm thu
4,770
4,770

o
Hội nghị, hội thảo



o
Đánh máy tài liệu



o
Giao thông liên lạc



o
Chi phí điều hành
3,000
3,000

III
Tiết kiệm 5%



IV
Kinh phí chuyển sang năm sau

xii

PHẦN MỞ ĐẦU
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
CẢM BIẾN HÀN HỒ QUANG QUAY
ỨNG DỤNG TRONG VIỆC DÒ ĐƢỜNG HÀN
Tổ chức chủ trì thực hiện đề tài: Trƣờng Đại học Bách Khoa TpHCM
Chủ nhiệm đề tài:Nguyễn Tấn Tiến
Thời gian thực hiện: 12 tháng từ 12/2010 đến 12/2011
Tổng kinh phí thực hiện: 320 triệu đồng
Kinh phí hỗ trợ từ NSNN: 320 triệu đồng
NỘI DUNG ĐỀ TÀI
o Nghiên cứu thiết kế cảm biến hàn hồ quang quay để ứng dụng trong việc
dò đƣờng hàn đối với phƣơng pháp tự động hóa hàn hồ quang trong môi
trƣờng khí bảo vệ.
o Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống hàn thực nghiệm ứng dụng cảm
biến hàn hồ quang quay.
o Nghiên cứu đề xuất giải thuật xử lý tín hiệu và giải thuật điều khiển đầu
hàn dò theo đƣờng hàn
o Thực nghiệm kiểm chứng tính khả thi của cảm biến và giải thuật điều
khiển.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
o Xác định độ lệch đầu hàn trong rãnh hàn chữ V
o
YÊU CẦU TỪ HỘI ĐỒNG

xiii

o Khoảng dịch chuyển dọc của mô hình thực nghiệm phải đạt đƣợc 1000mm
o Khoảng dịch chuyển ngang của mô hình phải đƣợc 150mm
o Độ chính xác dò đƣờng hàn nhỏ hơn ±0.5mm
NỘI DUNG CÔNG VIỆC THỰC HIỆN
o Thu thập tài liệu và nghiên cứu các cơ sở lý thuyết về lĩnh vực nghiên cứu
o
.
o
. Thực
nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống hàn tự động.
o
o Thực nghiệm hàn, thu thập các số liệu trong quá trình hàn. Xử lý tín hiệu, đánh giá
và đề xuất phƣơng án xử lý tín hiệu. So sánh kết quả thƣc nghiệm với kết quả mô
phỏng. Đánh giá và hiệu chỉnh thiết kế.
o
.
o
.
o Kiểm định mối hàn thực nghiệm làm cơ sở cho việc đánh giá thực nghiệm cảm
biến thiết kế.
o Viết báo cáo, bài báo khoa học cho Hội nghị chuyên đề và Tạp chí chuyên ngành.
Chuẩn bị các thủ tục nghiệm thu đề tài.


0

1 TỔNG QUAN

1.1 KHÁI NIỆM
Hàn là một phƣơng pháp nối các chi tiết thành một khối không tháo rời đƣợc
bằng cách nung nóng chúng đến trạng thái chảy hay dẻo, sau đó có thể dùng hay
không dùng áp lực để ép chi tiết hàn dính chặt với nhau. Khi hàn ở trạng thái chảy,
kim loại bị nóng chảy, sau đó kết tinh thành mối hàn. Có trƣờng hợp không cần nung
nóng mà chỉ dùng áp lực làm kim loại đạt đến trạng thái dẻo và dính chặt lại với nhau.
Hàn đƣợc dùng rất rộng rãi trong mọi ngành sản xuất bởi các đặc điểm: chính
xác, tin cậy và hiệu quả (kinh tế). Trong một số ngành công nghiệp, ví dụ ngành đóng
tàu thủy, công việc hàn chiếm tỉ trọng rất lớn.Môi trƣờng hàn là một môi trƣờng độc
hại.Ngƣời công nhân phải làm việc trong môi trƣờng ngột ngạt, chật hẹp, ô nhiễm
tiếng ồn và khói hàn trong thời gian dài. Do đó chất lƣợng mối hàn phụ thuộc vào trình
độ tay nghề và sức khỏe của công nhân rất nhiều. Đến nay, nhiều công trình nghiên
cứu về vấn đề ứng dụng robot hàn thay cho ngƣời công nhân đã đƣợc thực hiện nhằm:
o Thực hiện một quá trình thao tác hợp lý và ổn định.
o Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân.
o Tăng năng suất.
o Nâng cao chất lƣợng mối hàn.
o Giảm giá thành.
Có rất nhiều phƣơng pháp hàn kim loại, tuy nhiên chỉ có một số phƣơng pháp
hàn có khả năng tự động hóa nhƣ hàn plasma, hàn bằng siêu âm, bằng tia điện từ, bằng
tia laser và hàn hồ quang. Trong đó phƣơng pháp hàn hồ quang đƣợc sử dụng rộng rãi
hơn cả trong công nghiệp do tính đơn giản và giá thành thấp. Hàn hồ quang bao gồm
hàn hồ quang khí bảo vệ và hàn hồ quang que. Trong đó, chỉ có phƣơng pháp hàn hồ
quang trong môi trƣờng khí bảo vệ là có khả năng đáp ứng yêu cầu tự động hóa.


1

1.1.1 Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ
Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ là quá trình hàn nóng

chảy trong đó nguồn nhiệt hàn đƣợc cung cấp bởi hồ quang đƣợc tạo ra giữa điện cực
nóng chảy (dây hàn) và vật hàn; hồ quang và kim loại nóng chảy đƣợc bảo vệ khỏi tác
dụng của oxy và nitơ trong môi trƣờng xung quanh bởi một loại khí hoặc hỗn hợp khí.
Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ đƣợc nhƣ Hình 1.1.

Hình 1-1Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo v .(1):Hƣớng hàn;
(2):Đầu hàn; (3):Điện cực; (4):Khí bảo vệ; (5):Kim loại hàn nóng chảy; (6):Vết hàn; (7):
Phôi hàn
1.1.1.1 Ưu điểm
o Khắc phục đƣợc hạn chế về chiều dài điện cực có giới hạn trong phƣơng pháp hàn
hồ quang bằng que hàn có thuốc bọc do đó có thể thực hiện đƣợc các mối hàn dài
mà không cần dừng lại để gây hồ quang
o Có thể thực hiện công việc hàn ở tất cả các tƣ thế.
o Tốc độ hàn cao hơn do điện cực đƣợc cấp liên tục và tốc độ điền đầy mối hàn cao
hơn hàn với thuốc bọc.
o Có thể tạo đƣợc mối hàn với độ thâm nhập sâu hơn so với hàn hồ quang bằng que
có thuốc bọc khi sự chuyển dịch kim loại dạng bụi đƣợc sử dụng.
o Tiết kiệm đƣợc thời gian làm sạch sau khi hàn do không có nhiều xỉ.


2

1.1.1.2 Nhược điểm
o Thiết bị hàn phức tạp hơn, đắt tiền hơn và kém cơ động hơn so với phƣơng pháp
hàn hồ quang bằng thuốc bọc.
o Hàn hồ quang cần phải đƣợc bảo vệ chống lại tác dụng của không khí làm phân tán
khí bảo vệ. Điều này hạn chế việc sử dụng phƣơng pháp này ngoài trời, trừ khi
vùng khí bảo vệ đƣợc đặt xung quanh vùng hàn.
1.1.2 Các loại cảm biến hàn
Bài toán tự động hóa hàn bao gồm 2 vấn đề quan trọng là cảm biến và điều

khiển.Việc chọn lựa cảm biến sẽ quyết định bài toán điều khiển.Tất nhiên điều này ảnh
hƣởng đến năng suất và chất lƣợng của cả quá trình hàn.
Có nhiều loại cảm biến hàn khác nhau, tuy nhiên để có thể sử dụng đƣợc cho tự
động hóa quá trình hàn, cảm biến hàn phải đảm bảo các yêu cầu sau (Hirokazu
Nomura, John E. Middle, and Isao Masumoto, Sensors and Control Systems in Arc
Welding, Chapma & Hall Inc., 1994):
o Kích thƣớc nhỏ gọn, không làm gián đoạn quá trình hàn.
o Độ tin cậy cao và hoạt động trong thời gian thực.
o Không bị ảnh hƣởng bởi môi trƣờng hàn nhƣ: nhiệt độ hàn, khói hàn, …
o Tính chống nhiễu trong môi trƣờng công nghiệp cao.
o Giá thành hạ.
Sau đây là một số loại cảm biến hàn đƣợc sử dụng
Bảng 1-1
Loại cảm biến hàn
Cấu hình cảm biến
CB tiếp xúc
Đầu dò tiếp xúc (contact
probes)
microswitch, potentiometers, differential
transformers
Tiếp xúc điện cực (electrode
contact)
voltage and current for contact detection


3

Cảm biến nhiệt độ
(temperature)
thermocouples and thermistors

CB không tiếp xúc
Cảm biến nhiệt độ
(temperature)
photothermometers, infrared thermometers
Cảm biến hồ quang (arc
phenomena)
welding current arc voltage, wire feed speed,
number of shots, number of peak current
anomalies
Cảm biến quang học (optics)
point sensors (phototransistors, photodiodes),
linear sensors (charge-couple devices, metal
oxide semiconductor, position-sensitive
detector, industrial television)
Cảm biến âm thanh (sound)
variable sound pressure, ultrasonic sound
detector probes
1.1.2.1 Cảm biến tiếp xúc
Cảm biến tiếp xúc là một loại cảm biến cho ra khoảng cách từ đầu dò đến rãnh
hàn dƣới dạng tín hiệu điện. Đầu dò có thể có một bậc tự do (Hình 1-2Error!
Reference source not found.a) hoặc hai bậc tự do (Hình 1-2Error! Reference source
not found.b).


4


Hình 1-2
1.1.2.2 Cảm biến điện từ
Cảm biến điện từ cung cấp tín hiệu ra của chiều cao H liên quan đến nền vật

liệu kim loại bởi sự kích thích của cuộn dây điện bao xung quanh một lõi sắt đƣợc đặt
vào nguồn điện áp AC và 2 cuộn dây khác lắp ghép vi sai nhƣHình 1-3.

Hình 1-3Cảm biến


5

1.1.2.3 Cảm biến quang
Hình 1-4là một ví dụ điển hình cảm biến laser , đây là một hệ thống cảm biến
mà ánh sáng từ diode lazer bán dẫn đƣợc quét xuyên qua bề mặt của mối nối. Ánh
sáng phản xạ đƣợc thu nhận bởi đầu kiểm tra vị trí (PSD) để xác định chiều cao của
cảm biến từ bề mặt, từ đó tính toán góc mối nối, chiều dày bề mặt khe hở rãnh hàn,
diện tích mặt cắt ngang của rãnh hàn, và vị trí trung tâm của rãnh hàn. Khi quét toàn
bộ mối hàn chiều cao của xỉ hàn và biên dạng mối hàn có thể đƣợc xác định.

Hình 1-4Cảm biến lazer quang học
1.1.2.4 Cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm nhƣHình 1-5có khả năng đo lƣờng khoảng cách giữa cảm
biến với nền vật liệu kim loại thông qua việc xác định khoảng thời gian từ thời điểm
xung đƣợc phát ra đến thời điểm xung phản xạ đƣợc thu hồi. Cảm biến này có thể
kiểm tra đƣợc vị trí của rãnh hàn cũng nhƣ dò lần theo đƣờng hàn nhờ sự dao động của
bộ phận này.


6


Hình 1-5Cảm biến siêu âm
1.1.2.5 Cảm biến dựa vào hiện tượng hồ quang

Đây là loại cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi cƣờng độ dòng điện liên
quan mật thiết với sự thay đổi chiều cao của cột hồ quang nhƣHình 1-6.
Cảm biến hồ quang giải phóng đƣợc việc phải sử dụng thiết bị xung quanh đầu
hàn. Nó có thể kiểm tra vị trí rãnh hàn một cách trực tiếp hay cung cấp thông tin vị trí
bề mặt của vũng hàn tan chảy dƣới hồ quang trong hầu hết thời gian thực.

Hình 1-6Nguyên lý cảm biến hồ quang
Mỗi loại cảm biến có các đặc điểm riêng biệt và đƣợc sử dụng với các yêu cầu
khác nhau. Nghiên cứu này tập trung vào cảm biến hàn hồ quang quay vì các lý do:


7

nhỏ gọn, không cần các thiết khác xung quanh đầu hàn, đơn giản, độ tin cậy cao, giá
thành thấp, dễ áp dụng, không bị ảnh hƣởng bởi nhiệt hàn và ánh sáng hồ quang.
1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI
Trên thế giới, rất nhiều nghiên cứu về cảm biên hàn hồ quang quay đã đƣợc
thực hiện và đăng trên các tạp chí khoa học chuyên ngành. Một số nghiên cứu gần đây
có thể đƣợc liệt kê nhƣ các mục [2]÷[7] trong tài liệu tham khảo. Trong đề tài Tiến sỹ
của mình, W.S. Yoo[2] đã nghiên cứu ứng dụng các kết quả của C.H. Kim[5] và S.J.
Na, [6] về hàn hồ quang quay vào hàn tự động đƣờng hàn 3D trong công nghệ đóng
tàu. Nhóm nghiên cứu của Y.B. Jeon, S.K. Jeong và cộng sự[3], [4] nghiên cứu thiết
kế cảm biến hàn hồ quang quay ứng dụng trong dò đƣờng hàn cho robot hàn di động
dạng hai bánh xe. Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ đƣợc tính khả thi cao.
Trong nƣớc, cho đến thời điểm hiện tại vẫn chƣa tìm thấy thông tin nào về các
nghiên cứu liên quan đến việc thiết kế chế tạo cảm biến hàn hồ quang quay. Một số
nghiên cứu trong nƣớc liên quan đến tự động hóa quá trình hàn ứng dụng trong sản
xuất có thể đƣợc liệt kê nhƣ [8]÷[18] trong tài liêu tham khảo. Các nghiên cứu trên
tạm chia ra các nhóm:
Tài liệu [16] và [17] mang tính khảo sát tổng quan về robot hàn.

Các nghiên cứu [14] và [18] tập trung vào việc điều khiển robot hàn theo quỹ
đạo đƣờng hàn biết trƣớc. Các loại robot kể trên có dạng cánh tay mang đầu hàn di
chuyển theo quĩ đạo đƣợc dạy trƣớc hoặc biết trƣớc tọa độ đƣờng cần hàn. Phạm vi
hàn còn giới hạn vì cánh tay không vƣơn xa đƣợc, nên robot dạng này chỉ thích hợp
trong việc hàn theo mẫu và trong sản xuất hàng loạt.
Các nghiên cứu [8]÷[13] tập trung vào điều khiển robot hàn di động với cảm
biến tiếp xúc đơn giản. Mặc dù đã ứng dụng thành công trong điều kiện trong phòng
thí nghiệm và tại xƣởng đóng tàu của Công ty đóng tàu Sài gòn, kết quả nghiên cứu
này chỉ áp dụng cho dạng đƣờng hàn thẳng hay đƣờng thẳng có độ sai lệch trong phạm
vi nhất định. Trong trƣờng hợp hàn đƣờng cong 2D trong mặt phẳng, cảm biến tiếp
xúc đã đƣợc sử dụng với kết quả rất tốt. Tuy nhiên, để có thể áp dụng rộng rãi trong


8

sản xuất, nhu cầu về việc thiết kế một loại cảm biến có giá thành hạ, độ tin cậy cao, có
kích thƣớc nhỏ gọn, vấn đề bảo trì đơn giản, … là cấp thiết.


9

2
2.1
2.1.1
Nguyên lý cảm biến hồ quang

Hình 2-1Mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ quang
Nhƣ ta đã biết cƣờng độ dòng điện hàn phụ thuộc mật thiết với chiều cao cột hồ
quang hay khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn.Khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn
càng nhỏ thì cƣờng độ dòng điện hàn càng lớn, ngƣợc lại cƣờng độ dòng điện hàn

càng nhỏ khi khoảng cách từ đầu hàn đến phôi càng lớn. Hình 2-1 trình bày mối quan
hệ giữa chúng, khi đầu hàn di chuyển từ vị trí 1 đến các vị trí 2-3, khoảng cách từ đầu
hàn đến phôi hàn càng lúc đƣợc thu ngắn, cƣờng độ dòng điện hàn cũng vì vậy mà
tăng lên nhƣ đồ thị hình bên trái. Ngƣợc lại, khi đầu hàn đi từ vị trí 3 về vị trí 4-5-1 thì
cƣờng độ dòng điện hàn cũng giảm theo. Tuy nhiên, do có sự khác biệt chiều di
chuyển đầu hàn, hay nói cách khác do ảnh hƣởng của tốc độ cháy dây điện cực dƣơng,
dẫn đến khi đầu hàn đi từ 3 đến 4 chiều cao cột hồ quang tăng đột ngột, cƣờng độ
dòngđiện hàn giảm đột ngột, khi đi từ 4 đến 5-1, chiều cao cột hồ quang giảm dần và
cƣờng độ dòng điện hàn tăng dần để đạt tới một trạng thái cân bằng ổn định giữa
chúng trong quá trình hàn hồ quang trên mặt phẳng.


10

Ngƣời ta dựa vào mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ
quang hay khoảng cách từ đầu hàn đến phôi để điều khiển đầu hàn bám theo đƣờng
hàn là nguyên tắc cảm biến hồ quang.
Nguyên lý cảm biến hàn hồ quang quay
Cảm biến hàn hồ quang quay áp dụng cho các mối hàn rãnh chữ V, mối hàn
góc(fillet), trong khuôn khổ đề tài này chỉ đề cập đến mối hàn rãnh chữ V, mối hàn
góc có tính tƣơng tự khi quay đầu hàn nghiêng 450 so với mối hàn rãnh chữ V.
Cảm biến hàn hồ quang quay cũng dựa trên nguyên tắc của cảm biến hồ quang,
nhƣng đầu hàn đƣợc quay tròn với một vận tốc cố định. Đầu hàn thay vì vừa đƣợc di
chuyển dọc đƣờng hàn vừa đƣợc lắc khi hàn thì trong hệ thống hàn với cảm biến hồ
quang quay, đầu hàn vừa đƣợc quay tròn với một vận tốc cố định,vừa đƣợc di chuyển
dọc rãnh hàn chữ V nhƣ Hình 2-2a. Khi đầu hàn quay, cƣờng độ dòng điện hàn cũng
thay đổi theo chu kỳ 2π.
Trƣờng hợp tâm quay của đầu hàn nằm trên đƣờng tâm rãnh hàn chữ V, vì bán
kính quay đầu hàn cố định nên trong cùng chu kỳ quay, khoảng cách từ đầu hàn đến
phôi hàn bên phải và bên trái là bằng nhau dẫn đến cƣờng độ dòng điện hàn ở nửa chu

kỳ trái (khi đầu hàn ở nửa bên trái rãnh hàn) và nửa chu kỳ phải (khi đầu hàn ở nửa
bên phải rãnh hàn) bằng nhau. Cƣờng độ dòng điện hàn trong trƣờng hợp này đƣợc mô
tả nhƣ đƣờng nét liền trên Hình 2-2c, cực trái (L-left) và cực phải (R-right) bằng nhau.
Ở đây có sự khác biệt cƣờng độ dòng hàn ở phía trƣớc (Cf-Center front) và phía sau
(Cr-Center rear), đó là do khi đầu hàn qua cực điểm phía sau, kim loại hàn chảy ra đã
bồi lên kim loại hàn của chu kỳ trƣớc đó. Đây cũng là đặc điểm nhận dạng phía trƣớc
và phía sau, vì vậy khi quay đầu hàn theo một chiều cố định, ta luôn xác định đƣợc cực
trái, phải, trƣớc và sau của một chu kỳ tín hiệu.
Trƣờng hợp tâm quay đầu hàn bị lệch về một phía bất kỳ so với tâm rãnh hàn,
khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn bên phải và bên trái không bằng nhau, dẫn đến
cƣờng độ dòng hàn bên cực trái và cực phải cũng khác nhau. Đƣờng mảnh nét đứt ở
Hình 2-2c thể hiện cƣờng độ dòng điện hàn khi đầu hàn lệch về bên phải so với đƣờng
tâm rãnh hàn, dẫn đến cƣờng độ dòng điện hàn bên cực phải(R) lớn hơn bên cực


11

trái(L). Từ độ lệch cƣờng độ dòng điện hàn này ta sẽ điều khiển vị trí đầu hàn trong
rãnh hàn để bù trừ độ lệch vị trí đầu hàn cho đến khi độ lệch cƣờng độ về không thì
đầu hàn cũng đƣợc đƣa về giữa rãnh hàn.
Tip gap ed
b)

Hình 2-2Mô hình lý thuyết hàn và dòng điện hàn.(a):Mô hình hàn; (b):Độ lệch đầu hàn;
(c):Cƣờng độ dòng điện mô phỏng quá trình hàn
2.1.2
Điều khiển quá trình hàn là bài toán điều khiển dựa vào các thông tin thu nhận
đƣợc từ cảm biến trong quá trình hàn. Bài toán điều khiển ở đây có thể phân loại nhƣ
sau:
o Dò đƣờng hàn (seam tracking control of a welding line).

o Điều khiển thích ứng các thông số hàn (adaptive control for welding conditions).
o Kết hợp cả hai vấn đề trên (seam tracking control and adaptive control).
o Giám sát quá trình hàn (welding monitoring).
Đề tài này tập trung xác định độ lệch của đầu hàn trong rãnh hàn chữ V và giải
quyết toán thứ nhất: dò đƣờng hàn trong rãnh hàn chữ V.