Thiết kế chế tạo thử nghiệm robot hàn tự động nhận diện mối hàn

vi
MC LC
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 các hình x
Danh sách các bảng xvi
CHƯƠNG 1. TNG QUAN V LƾNH ROBOT HÀN
1.1. S LC V LCH S PHÁT TRIN CA NGÀNH HÀN. 1
1.2. ROBOT HÀN. 3
1.2.1. ng dụng của robot hàn trong sản xuất 3
1.2.2. Các dạng Robot hàn 5
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CU. 8
1.4. MC TIÊU NGHIÊN CU VÀ GII HN CA Đ TÀI 25
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu 25
1.4.2. Giới hạn của đề tài 26
CHƯƠNG 2. HÀN T ĐNG DƯI LP THUC 27
2.1. LÝ THUYT C BN V CÔNG NGH HÀN 27
2.1.1. Sự tạo thành mối hàn 27
2.1.2. Tổ chức kim loại của mối hàn 30
2.2. KHÁI NIM 31
2.3. THIT B HÀN T ĐNG DI LP THUC 32
2.4. VT LIU HÀN 35
2.4.1. Dây hàn 35
2.4.2. Thuốc hàn 36
2.5. K THUT HÀN 37
vii

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 DNG VÀ KÍCH THC MI HÀN 44
2.6.1. nh hưởng của chế độ hàn 44
2.6.2. nh hưởng của các yếu tố công nghệ 47
2.6.3. nh hưởng của các yếu tố kết cấu 51
CHƯƠNG 3. CU TRÚC PHN CNG CA ROBOT 53
3.1. CU TRÚC PHN CNG CA ROBOT HÀN T HÀNH 53
3.1.1. Dạng 1: Robot hàn tự hành dùng để hàn góc không có bộ 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. LA CHN PHNG ÁN B TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT 55
3.2.1. Phương án 1 55
3.2.2. Phương án 2 56
3.2.3. Phương án 3 57
3.2.4. Phương án 4 58
3.2.5. Phương án 5 58
3.2.6. Lựa chọn phương án phù hợp nhất 59
3.3. CU TRÚC PHN CNG CA 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. QU ĐO CÔNG NGH HÀN 79
3.4.1. Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn 79
viii

3.4.2. Các phương pháp tạo ra quỹ đạo chuyển động công nghệ hàn 80
3.4.3. Giải pháp tạo quỹ đạo công nghệ hàn cho robot 82
CHƯƠNG 4. THUT TOÁN ĐIU KHIN ĐU HÀN 82
4.1. PHÂN TÍCH CÁC PHNG PHÁP NHN BIT ĐNG HÀN  CÁC
Đ TÀI TRC 85
4.1.1. Nhận biết bằng phương pháp dò theo vách đứng khi hàn góc: 85
4.1.2. Tạo vết dẫn đường để điều khiển đường đi của robot theo đường hàn:
86
4.1.3. Lấy mẫu điểm trên đường hàn với công cụ lập trình Teach Pendant:
87
4.1.4. Nhận biết các điểm mép của đường hàn dùng cảm biến quang: 89
4.2. PHNG PHÁP NHN BIT MÉP HÀN 90
4.2.1. Phân tích cấu tạo đường hàn 90
4.2.2. Các phương án nhận biết các điểm mép đường hàn 92
4.3. CÁC PHNG ÁN NHN BIT ĐNG HÀN 95
4.3.1. Các phương án 95
4.3.2. Lựa chọn phương án tối ưu 103
4.3. THUT TOÁN ĐIU KHIN ĐU HÀN 104
CHƯƠNG 5. B ĐIU KHIN CA ROBOT 110
5.1. S Đ KHI ĐIU KHIN 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. MCH ĐIN ĐIU KHIN ROBOT 124
CHƯƠNG 6. TH NGHIM VÀ ĐÁNH GIÁ KT QU 128
6.1. TH NGHIM 128
6.2. ĐÁNH GIÁ KT QU 131
ix

CHƯƠNG 7. KT LUN 132
7.1. TÓM TT 132
7.2. NHNG CÔNG VIC ĐÃ THC HIN ĐC 132
7.3. NHNG HN CH VÀ HNG PHÁT TRIN CA Đ TÀI 132
PH LC 134
TÀI LIU THAM KHO 157
x
DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1. Các phương pháp hàn 2
Hình 1.2. Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 4
Hình 1.3. Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC 4
Hình 1.4. Tay máy 6 bậc tự do 5
Hình 1.5. Đầu hàn MIG/MAG có ly hợp chống va đập 6
Hình 1.6. Robot hàn với ray trượt nằm ngang 6
Hình 1.7. Robot hàn với ray trượt trên trần và trên vách 7
Hình 1.8. Robot hàn ray trượt đứng và ray trượt cong của hãng Bug-O 7
Hình 1.9. Robot hàn tự hành hoàn toàn tự động 8
Hình 1.10. Robot hàn của hãng ABB 8
Hình 1.11. Robot hàn tự hành của hãng Ishimatsu 9
Hình 1.12. Robot hàn cắt tự hành của hãng Bug-O 9
Hình 1.13. Các đơn vị chính của hệ thống hàn đa cảm biến 10
Hình 1.14. Cấu hình của bộ điều khiển nhúng cho các robot hàn di động 'RRX3' 11
Hình 1.15. Sơ đồ khối của hệ thống 11
Hình 1.16. Cảm biến thị giác 12
Hình 1.17. Cấu trúc của robot hàn ống của đề tài 13
Hình 1.18. Đường hàn hình chữ nhật (RWL) 14
Hình 1.19. Mô hình nguyên lý của Robot 14
Hình 1.20. Mô hình thực tế của robot 15

Hình 1.21. Mô hình nguyên lý của robot hàn di động dùng để hàn góc 16
Hình 1.22. Mô hình thực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc 17
Hình 1.23. Robot gỡ xỉ hàn của đề tài 17
Hình 1.24. Hình ảnh các robot của đề tài 19
Hình 1.25. Sơ đồ cấu trúc của robot hàn 20
Hình 1.26. Nguyên lý hoạt động của robot 21
xi
Hình 1.27. Mối tương quan giữa quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ 22
Hình 1.28. Robot han Panasonic AW 7000 22
Hình 1.29. Robot hàn Almega AX-V6 23
Hình 1.30. Sản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận văn đang
hàn thử nghiệm trên sàn bằng tôn 24
Hình 1.31. Hình ảnh Robot của đề tài 25
Hình 1.32. Giới hạn đường cong hàn của đề tài 26
Hình 2.1. Mối nối hàn 27
Hình 2.2. Bể hàn 28
Hình 2.3. Hình dạng và kích thước của bể hàn 28
Hình 2.4. Tác dụng của lực từ trường ép lên que hàn 29
Hình 2.5. T chức kim loại của mối hàn 30
Hình 2.6. Nguyên lý quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc 31
Hình 2.7. Các khả năng chuyển động của đầu hàn tự động trên xe tự hành 33
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý xe hàn vạn năng 34
Hình 2.9. Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc 35
Hình 2.10. Bột sắt hoặc phoi thép 38
Hình 2.11. Cắt vát đầu dây hàn 39
Hình 2.12. Hàn lót để hàn SAW 40
Hình 2.13. (A) Hàn giáp mối rãnh V, (B) hàn giáp mối vuông 40
Hình 2.14. Lót bằng thuốc hàn 40
Hình 2.15. Lót bằng gốm 41
Hình 2.16. Tấm lót thép để hàn giáp mối tấm mỏng 42

Hình 2.17. Hàn hai phía tấm dày 19 ÷ 25.4mm 42
Hình 2.18. Hàn hai phía tấm dày 32 ÷ 38 mm 43
Hình 2.19. Các kích thước đặc trưng của mối hàn 44
Hình 2.20. Sự thay đi hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn 45
Hình 2.21. Sự thay đi hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn theo điện áp
hàn 46
xii
Hình 2.22. Sự thay đi hình dạng mối hàn theo tiết diện điện cực 46
Hình 2.23. nh hưởng của tốc độ hàn 47
Hình 2.24. Góc nghiêng dây hàn và ảnh hưởng của góc nghiêng về phía trước lên
hình dạng mối hàn 48
Hình 2.25. Góc nghiêng vật hàn và hình dạng mối hàn 49
Hình 2.26. Vị trí dây hàn khi hàn các mối hàn vòng đường kính nhỏ và cường độ
dòng điện hàn tối đa 50
Hình 2.27. nh hưởng cực tính dòng hàn 50
Hình 2.28. Độ nhú điện cực 51
Hình 2.29. nh hưởng của góc rãnh hàn và khe đáy lên hình dạng mối hàn 51
Hình 3.1. Robot hàn góc của hãng Koile (Nhật) 53
Hình 3.2. Robot hàn tự hành dùng hàn phẳng và góc của Bug-O 54
Hình 3.3. Robot hàn tự hành dùng hàn đứng của Bug-O 55
Hình 3.4. Phương án 1 56
Hình 3.5. Phương án 2 57
Hình 3.6. Phương án 3 57
Hình 3.7. Phương án 4 58
Hình 3.8. Phương án 5 59
Hình 3.9. Phương án truyền động của robot 60
Hình 3.10. Mô hình tng thể của robot 61
Hình 3.11. Mô hình 3D của thanh trượt bi dùng làm ray dẫn hướng 62
Hình 3.12. Các hình chiếu của thanh trượt và con trượt 62
Hình 3.13. Gắn 2 thanh trượt và thanh răng trên khung gá 63

Hình 3.14. Kích thước khung gá 63
Hình 3.15. Thân robot 64
Hình 3.16. Chuyển động song phẳng 64
Hình 3.17. Mô hình bài toán chuyển động song phẳng 65
Hình 3.18. Xác định tâm quay tức thời 66

xiii
Hình 3.19. Puly 3 tầng 68
Hình 3.20. Nguyên tắc thay đi tâm quay tức thời 69
Hình 3.21. Sơ đồ hoạt động của cơ cấu 69
Hình 3.22. Mô hình cơ cấu đảo chiều bằng thay đi tâm quay tức thời 70
Hình 3.23. Module trượt gắn cảm biến dò đường hàn 71
Hình 3.24. Bộ vitme – đai ốc bi 71
Hình 3.25.  bi đỡ 72
Hình 3.26. Khớp nối trục 73
Hình 3.27. Module trượt gắn lên thân robot 74
Hình 3.28. Hình ảnh thực tế của module trượt 74
Hình 3.29. Mô hình 3D của module 75
Hình 3.30. Thanh trượt bi gắn đầu hàn 76
Hình 3.31. Bộ điều chỉnh cao độ của đầu hàn 76
Hình 3.32. Module trượt gắn đầu hàn lắp lên thân robot 77
Hình 3.33. Module trượt gắn đầu hàn 77
Hình 3.34. Hình ảnh thực tế của module trượt gắn đầu hàn MIG 78
Hình 3.35. Kết cấu thiết kế hoàn chỉnh của robot 78
Hình 3.36. Kết cấu hoàn chỉnh thực tế của robot 79
Hình 3.37. Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn 79
Hình 3.38. Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn khác 80
Hình 3.39. Phương pháp gắn cơ cấu phụ tạo quỹ đạo công nghệ hàn 80
Hình 3.40. Robot hàn có gắn bộ phận tạo qũy đạo công nghệ của Bug-O 81
Hình 3.41. Qũy đạo công nghệ hàn được tạo ra do kết hợp chuyển động của các

khớp 82
Hình 3.42. Tạo quỹ đạo zigzag bằng cách phối hợp các chuyển động của robot 83
Hình 3.43. Tạo quỹ đạo zigzag bằng cách lắc đuốc hàn 83
Hình 3.44. Tạo quỹ đạo zigzag bằng nguyên lý tay quay con trượt 84
Hình 4.1. Mô hình thực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc 85
Hình 4.2. Sơ đồ cấu trúc của robot hàn 86
xiv
Hình 4.3. Nguyên lý hoạt động của robot 87
Hình 4.4. Teach pendant của hai công ty Kawasaki và Panasonic - Nhật Bản 88
Hình 4.5. Mối tương quan giữa quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ 88
Hình 4.6. Robot han Panasonic AW 7000 89
Hình 4.7. Sản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận văn đang hàn
thử nghiệm trên sàn bằng tôn 89
Hình 4.8. Hình ảnh Robot của đề tài 90
Hình 4.9. Mặt cắt của đường hàn vát mép chữ V 91
Hình 4.10. Đường hàn không vát mép 91
Hình 4.11. Đường hàn không vát mép 91
Hình 4.12. PA1 – Đầu dò di chuyển qua phải 92
Hình 4.13. PA1 – Đầu dò di chuyển qua trái 93
Hình 4.14. PA2 – Đầu dò di chuyển qua trái 94
Hình 4.15. PA2 – Đầu dò di chuyển qua phải 94
Hình 4.16. Nguyên lý dò đối với đường hàn không vát mép 95
Hình 4.17. Phương án 1 95
Hình 4.18. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 1 của đầu hàn 96
Hình 4.19. Phương án 2 97
Hình 4.20. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 2 của đầu hàn 98
Hình 4.21. Phương án 3 98
Hình 4.22. Chuyển động của đầu dò ở PA 3 99
Hình 4.23. Quỹ đạo gấp khúc ở PA3 của đầu hàn 99
Hình 4.24. Phương án 4 100

Hình 4.25. Chuyển động của đầu dò ở PA 4 100
Hình 4.26. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 4 của đầu hàn 101
Hình 4.27. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 5 của đầu hàn 102
Hình 4.28. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 6 của đầu hàn 102
Hình 4.29. Vị trí Home 105
Hình 4.30. Tọa độ các đỉnh gấp khúc của đầu hàn 105
xv
Hình 4.31. Lưu đồ giải thuật điều khiển với các phương án 1, 2, 3 và 4 107
Hình 4.32. Lưu đồ giải thuật điều khiển với các phương án 5 và 6 108
Hình 4.33. Sơ đồ khối điều khiển động cơ 109
Hình 5.1. Sơ đồ khối điều khiển robot 110
Hình 5.2. Động cơ DC Motor TS 198 110
Hình 5.3. Mạch công suất H – Bridge 113
Hình 5.4. Hình ảnh board mạch thực tế 113
Hình 5.5. Board mạch gắn trên thanh nhôm rail 114
Hình 5.6. Module PID điều khiển tốc độ, vị trí 115
Hình 5.7. Sơ đồ khối PID 115
Hình 5.8. Sơ đồ khối của LM629 117
Hình 5.9. Biên dạng vận tốc 117
Hình 5.10. Mạch công suất LMD18200 119
Hình 5.11. Board điều khiển PID 119
Hình 5.12. Cảm biến quang E3X-DA-S 120
Hình 5.13. Sơ đồ đấu dây cho cảm biến quang E3X-DA-S 120
Hình 5.14. Các dòng AVR khác nhau: Tiny, AVR và Mega 123
Hình 5.15. Cấu trúc của Vi điều khiển AVR 123
Hình 5.16. Sơ đồ nguyên lý điều khiển robot 125
Hình 5.17. Sơ đồ mạch điện điều khiển robot 126
Hình 5.18. Tủ điện điều khiển robot 127
Hình 5.19. Các thiết bị giao tiếp của bộ điều khiển 127
Hình 6.1. Máy hàn MIG để hàn thử nghiệm 128

Hình 6.2. Chuẩn bị mép hàn cho hàn thử nghiệm 128
Hình 6.3. Mối hàn của mẫu thử nghiệm thứ nhất 129
Hình 6.4. Cảm biến đang dò tìm rãnh hàn ở mẫu thử thứ 2 129
Hình 6.5. Màn hình LCD hiển thị các điểm mép hàn mà cảm biến
dò tìm được ở mẫu thử thứ 2 130
Hình 6.6. Mối hàn của mẫu thử nghiệm thứ 2 130
xvi
DANH SÁCH CÁC BNG

BNG TRANG
Bảng 2.1. Các yêu cầu về thành phần của dây hàn theo AWS A5.17 35
Bảng 2.2. Các yêu cầu cơ tính theo AWS A5.17 37
Bảng 2.3. các yêu cầu độ dai va đập theo AWS A5.17 37
Bảng 2.4. Thông số hàn giáp mối với tấm lót bằng đồng 41
Bảng 2.5. Thông số hàn giáp mối tấm lót bằng thép 42
Bảng 2.6. Thông số hàn hai phía tấm dày 19 ÷ 25,4 mm 43
Bảng 2.7. Thông số hàn tấm dày 32 ÷ 38 mm 43
Bảng 3.1. Các kích thước của thanh trượt bi 62
Bảng 3.2. Các kích thước của bộ vitme – đai ốc bi 71
Bảng 3.3. Các kích thước của  bi đỡ 72
Bảng 3.4. Các kích thước của khớp nối trục 73
Bảng 3.5. Các kích thước của thanh trượt bi gắn đầu hàn 76
Bảng 5.1. Thông số cơ bản của Motor TS 198 111
Bảng 5.2. Thông số kỹ thuật của Motor TS 198 111
Bảng 5.3: Ký hiệu màu dây encoder của Motor TS 198 112
Bảng 5.4. Thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại E3X-DA-S 120
Bảng 5.5. Các model sợi quang phản xạ có đầu mỏng / nhỏ 122
Bảng 6.1. Bảng đánh giá khuyết tật mối hàn bằng mắt (Visual Testing – VT) 131
Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 1

CHƯƠNG 1:
TNG QUAN V ROBOT HÀN

1.1. SƠ LƯC V LCH S PHÁT TRIN CA NGÀNH HÀN:
Khoảng đầu thời đại đồ đồng, đồ sắt, con người đã biết hàn kim loại.
Năm 1802, nhà bác học Nga Pê-tơ-rốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ
rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại, mở ra thời kỳ hàn
hồ quang tay trong ngành công nghiệp đóng tàu.
Nă
m 1882 Kỹ sư Bê-na-đớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại.
Năm 1886 Tôm-sơn đã tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối và được áp
dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903.
Năm 1887 Bê-na-đớt đã tìm ra phương pháp hàn điểm.
Năm 1888, Sla-via-nốp đã áp dụng điện cực nóng chảy - điện cực kim loại vào
hồ quang điện, đế
n năm 1907, kỹ sư Thụy Điển Ken-Be đã phát hiện ra phương pháp
ổn định quá trình phóng hồ quang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác động của không khí
xung quanh bằng cách lắp lên điện cực kim loại một lớp vỏ thuốc. Việc ứng dụng que
hàn bọc thuốc bảo đảm chất lượng của mối hàn.
Thời kỳ phát triển cao của công nghiệp hàn đã được mở ra vào những năm cuố
i
30 và đầu 40 thế kỷ XX, sau những công trình nổi tiếng của viện sĩ E. O. Pa-tôn về
hàn dưới thuốc. Phương pháp hàn bán tự động và sau đó hàn tự động dưới lớp thuốc ra
đời; sau đó nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đó là thành tựu vô cùng to
lớn của kỹ thuật hàn hiện đại. Cho đến nay, hàn dưới thuốc vẫn là phương pháp cơ khí
hoá cơ bản trong kỹ thuật hàn, với những
ưu điểm vượt trội về hiệu suất và chất lượng
của mối hàn.
Từ những năm cuối 40, các phương pháp hàn trong khí bảo vệ được nghiên cứu

và đưa vào sản xuất. Hàn trong khi bảo vệ làm tăng vọt chất lượng mối hàn và hiện
nay là một trong những phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi nhất, và đặc biệt là
khả năng sử dụng dễ dàng ở nhi
ều tư thế hàn khác nhau.
Hàn xỉ điện là một phát minh nổi tiếng nữa của tập thể Viện Hàn điện B. O. Pa-tô
(Ki-ép, Liên Xô). Quá trình hàn điện xỉ được các nhà bác học Xô Viết phát hiện năm
1949, nghiên cứu và đưa vào sản xuất trong những năm 50. Phương pháp hàn điện xỉ
ra đời và phát triển là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong nghành chế tạo máy móc
hạng nặng như lò hơi, tua bin, máy ép cỡ l
ớn, ….
Các phường pháp hàn ngày càng được nghiên cứu và cải tiến để nâng cao năng
suất, hiệu quả và chất lượng mối hàn, cũng như nâng cao khả năng tự động hóa. Hiện
nay, có hơn 120 phương pháp hàn khác nhau, trong đó, các phương pháp hàn được sử
dụng rộng rãi nhất là: hàn hồ quang tay, hàn bán tự động và tự động dưới lớp thuốc
(Submerged Arc Welding - SAW), hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ
(MIG, MAG), hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc (FCAW-Flux Cored Arc Welding), hàn
hồ quang tự b
ảo vệ (Self-Shielded Arc Weld), hàn TIG. Một số phương pháp hàn mới
Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 2

đang được nghiên cứu và đưa vào sản xuất như: hàn bằng tia điện tử (electron beam
welding), laser beam, hàn siêu âm, hàn plasma hồ quang, v.v…
Nói chung, các phương pháp hàn ngày càng được hoàn thiện hơn và được sử
dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là
trong nghành du hành vũ trụ. Có thể nói hàn là một phương pháp gia công kim loại
tiên tiến và hiện đại.
Hàn ở Việt Nam cũng đã xuất hiện từ thời thượng cổ, hồi đ
ó ông cha ta dã biết sử
dụng hàn để làm ra những dụng cụ cần thiết phục vụ cho đời sống và cải tiến điều kiện

lao động.
Trước cách mạng tháng tám, môn hàn rất ít được ứng dụng. Sau cách mạng tháng
tám và trong thời kỳ kháng chiến, môn hàn được phát triển hơn, nó đã đóng góp vào
nền công nghiệp quốc phòng mới mẻ của chúng ta. Sau hòa bình chúng ta đã sử dụng
hàn rất nhiều trong cuộc cách mạng k
ỹ thuật và xây dựng nền kinh tế xã hội chủ nghĩa.
Nhiều công trình đồ sộ đã mọc lên sử dụng nhiều đến hàn như lò cao khu gang thép
Thái Nguyên, nhà công nghiệp, tàu bè, nồi hơi v.v Tuy vậy việc nghiên cứu áp dụng
các phương pháp hàn tiên tiến còn gặp nhiều khó khăn và chưa đủ điều kiện để phát
triển mạnh mẽ.
Với lực lượng cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề ngày càng
đông
đảo, chúng ta tin chắc rằng, kỹ thuật hàn ở Việt Nam sẽ ngày càng phát triển và
được ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất.


Hình 1.1. Các phương pháp hàn
Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 3

1.2. ROBOT HÀN:
1.2.1. ng dng ca robot hàn trong sn xut:
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng nhiều trong lĩnh vực dưới góc
độ thay thế con người. Nhờ vậy, dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và
hiệu quả tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả nă
ng cạnh tranh của
sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ
vào các khả năng to lớn của robot như:

+ Làm việc không biết mệt mỏi.
+ Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo.
+ Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao.
+ Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà dễ gây m
ệt mỏi, nhầm lẫn
+ …
Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ
hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp
sản phẩm, ….
Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong ngành công
nghiệp sản xuất ô tô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu trong số đó như Hoa
Kỳ, Nhật Bản, CHLB Ð
ức, Pháp, Ý, Hàn Quốc, Trung Quốc,… và gần đây là các
nước trong khu vực Ðông Nam Á. Sau đó, công nghệ hàn tự động với robot được áp
dụng trong các ngành đóng tàu biển, chế tạo máy.
ng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp. Gần 25% robot công
nghiệp là robot hàn. Các robot lắp ráp chiếm 33% dân số robot trên thế giới, có mặt
nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử.
Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc s
ử dụng robot nhiều
nhất: Mỗi khung xe được cố định vào một palette và được điều khiển di chuyển khắp
nhà máy. Khi khung xe đến trạm hàn, bộ phận kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị
trí cần thiết, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước
(H. 1.2).

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 4


Hình 1.2. Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi

Robot cũng được ứng dụng nhiều trong công nghệ hàn theo vết hoặc hàn theo
đường dẫn liên tục - còn gọi là hàn đường.
Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên, năng suất thấp do yêu
cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi
trường khắc nghiệt do khói và nhiệt phát ra trong quá trình hàn.


Hình 1.3. Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 5

Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ
thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại. Những hệ thống hàn
đường thực tế (H. 1.3) phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết
được hàn và sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước. u điểm so
với hàn bằng tay là chất l
ượng mối hàn đuợc ổn định. Người vận hành chỉ thực hiện
công việc là kẹp chặt các chi tiết và lấy sản phẩm sau khi hàn xong.
Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai trong
chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không
đồng dạng. Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt là đối với
các chi tiết lớ
n và lắp tấm kim loại mỏng.
Gần đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục
đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất
lượng mối hàn lại tăng. Đây cũng chính là mục tiêu của luận văn.
1.2.2. Các dng Robot hàn:
Trong ngành công nghiệp sản xuất chế tạo, tuỳ vào đặc thù của từng lĩnh vực và

từng loại sản phẩ
m mà ta sử dụng các dạng robot khác nhau.  đây, có thể chia làm 2
dạng robot hàn:
1. Dng tay máy công nghip:
Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay, có khớp tịnh tiến hoặc xoay. Loại robot
tọa độ Đề-các chỉ được dùng cho các robot rất lớn hoặc rất nhỏ. Cánh tay robot được
sử dụng nhiều, do nó cho phép súng hàn chuyển động như cách con người thao tác.
Góc súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở mọi vị trí, nhất là ở những vị
trí khó tiếp cận. Những tay máy công nghiệp sử dụng trong công nghiệp hàn thường
được thiết kế có 6 bậc tự do.


Hình 1.4. Tay máy 6 bậc tự do
Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 6

Để thực hiện các công nghệ hàn khác nhau ta chỉ cần gắn đầu hàn (torche) ở khâu
cuối.


Hình 1.5. Đầu hàn MIG/MAG có ly hợp chống va đập

Tuy nhiên, tay máy công nghiệp có phạm vi hoạt động bị giới hạn nên không thể
thực hiện hàn những đường hàn dài.
2. Dng robot t hành có ray dn hng hay hoàn toàn t đng:
Được sử dụng khi yêu cầu cần hàn những đường hàn dài (theo cả 2 phương
ngang và đứng) vượt khỏi tầm với của tay máy công nghiệp hay những chi tiết hàn đặt
ở vị trí xa nhau mà không cần dùng nhiều tay máy hàn.

Hình 1.6. Robot hàn với ray trượt nằm ngang

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 7


Hình 1.7. Robot hàn với ray trượt trên trần và trên vách


Hình 1.8. Robot hàn ray trượt đứng và ray trượt cong của hãng Bug-O

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 8


Hình 1.9. Robot hàn tự hành hoàn toàn tự động

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CU:
Nhiu công ty hàng đu th gii nh: ABB, FANUC, PANASONIC,
KAWASAKI, KUKA MOTOMAN, …đã ch to các thit bị hàn t bán t đng
đn t đng các robot hàn và trin khai ng dng robot hàn trong công nghip:


Hình 1.10. Robot hàn của hãng ABB

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 9


Hình 1.11. Robot hàn tự hành của hãng Ishimatsu

Hình 1.12. Robot hàn cắt tự hành của hãng Bug-O

Trong các tp chí khoa học có uy tín v lƿnh vc robot, nhiu công trình đã
đc công b và trin khai:
- Sadek C. A. Alfaro, Paul Drews, Intelligent, Systems for Welding Process
Automation, J. of the Braz. Soc. of Mech. Sci. & Eng. , Vol. XXVIII, No. 1, January-
March 2006.
Bài viết này trình bày và đánh giá các khái niệm và thực hiện hai hệ thống riêng
biệt đa cảm biến cho hệ thống sản xuất tự động dựa trên phần cứng song song. Trong
việc thực hiện tinh vi nhất, 12 bộ vi xử lý đã được tích hợp trong một hệ thống đa cảm
biế
n song song. Một số nút chuyên biệt trong mạng thần kinh nhân tạo (Artificial
Neural Network) được sử dụng để cải thiện phép quang trắc dựa trên những tính toán
quan sát được và giám sát sự kết hợp cảm biến với sự điều khiển logic mờ. Vùng thực
Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 10

hiện của các đơn vị xử lý phân tán và thông minh, nó đã chỉ ra rằng kiến trúc song
song có thể cung cấp lợi thế đáng kể so với các hệ thống dựa trên các bus dữ liệu
thông thường. Bài viết kết luận với sự so sánh trong những khía cạnh chính của phần
mềm trung gian và thực hiện dựa trên DSP-robot cảm biến hướng dẫn.


Hình 1.13. Các đơn vị chính của hệ thống hàn đa cảm biến

- Kyu-Yeul Lee, Tae-Wan Kim, Jongwon Kim, Nam-Kug Ku, Heonyoung Lim,
Jongjin Woo, Sang Moo Lee, Soo-ho Kim, Modularized Control Architecture of an
Embedded Controller for Mobile Welding Robot in the Shipyard, Proceedings of the

17th World Congress, The International Federation of Automatic Control Seoul,
Korea, July 6-11, 2008.
Nghiên cứu này mô tả sự phát triển của phần cứng điều khiển và phần mềm điều
khiển một robot hàn di động, có thể di chuyển theo hướng ngang và dọc (bộ phận di
chuyển), thực hiện các nhiệm vụ hàn các bộ phận hình chữ U và các bộ phận khung
trong cấu trúc thân tàu (Nhiệm vụ hàn), và phát hiện các điểm của đường hàn (bộ phậ
n
cảm biến). Bộ phần cứng điều khiển bao gồm một bộ điều khiển chính và một bộ điều
khiển máy hàn. Bộ điều khiển chính được gắn trên robot hàn di động, bao gồm một
CPU, một bộ điều khiển chuyển động và một encoder điều khiển động cơ AC servo.
Bộ điều khiển máy hàn được gắn trên máy hàn nằm
ở bên ngoài để điều khiển máy
hàn. Giao tiếp giữa hai bộ điều khiển được thực hiện thông qua cổng RS485. Phần
mềm điều khiển bao gồm 4 lớp: lớp quản lý, lớp lên kế hoạch, lớp đưa ra các hoạt
động, và lớp chấp hành. Mỗi lớp bao nhiều gồm module như module hoạt động,
module nguồn, module Servo, … Sự kết hợp thích hợp của của các module cho phép
các phần mề
m điều khiển để thực hiện các nhiệm vụ cần thiết. Phần mềm điều khiển
được phát triển bằng cách sử dụng lập trình C theo hệ điều hành QNX, được biết đến
để có một hiệu suất đáng tin cậy ứng với thời gian thực.

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 11


Hình 1.14. Cấu hình của bộ điều khiển nhúng cho các robot hàn di động 'RRX3'

- Zhiguo Yan, De Xu, Yuan Li, and Min Tan, A Vision-Based Seam Tracking
System for Submerged Arc Welding, Robot Weld., Intellige. & Automation, LNCIS
362, pp. 349–357, 2007.

Theo dõi đường hàn là một vấn đề quan trọng trong hàn tự động. Trong bài báo
này, hệ thống theo dõi dựa trên kết cấu ánh sáng tia laser được trình bày như H. 1.15.
Bài viết thảo luận về cấu trúc của hệ thống này, và cũng giải thích nguyên tắc làm việc
của hệ thống đặc biệt là các thuật toán xử lý hình ảnh. Các thí nghiệm hàn mặt ngoài
ống thép cho thấy rằng hệ thống này là rất mạnh mẽ với các môi tr
ường khác nhau và
nó có thể nâng cao hiệu quả hàn rất nhiều.


Hình 1.15. Sơ đồ khối của hệ thống

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 12


Hình 1.16. Cảm biến thị giác

Bộ cảm biến thị giác được đặt trên một khung mà ngọn đuốc được gắn. Trong
quá trình hàn, các diode laser tạo ra một mặt phẳng chùm tia sáng. Khi mặt phẳng tia
sáng laser được chiếu lên phôi, sẽ có một sọc laser trên bề mặt của phôi. Và hình dạng
của dải tia laser phản ánh thông tin của đường hàn. Sau đó, một máy ảnh chụp hình
ảnh của dải thông qua một bộ lọc quang học được đặt dưới máy ảnh. Chỉ có ánh sáng
có bước sóng từ 650 nm ÷ 690 nm có thể đi qua bộ lọc này (của laser bước sóng 670
nm). Vì vậy, đèn chiếu sáng dự phòng được loại bỏ và chất lượng của hình ảnh được
cải thiện theo cách này. Sự liên kết giữa các môđun cảm biến hình ảnh và xử lý hình
ảnh các môđun được hoàn thành bằng hình ảnh thu được. Nó chuyển dữ liệu từ các
camera CCD tới các tín hiệu kỹ thuật số trong máy tính điều khiển công nghiệ
p.
- Yuan Li, De Xu, Zhiguo Yan, and Min Tan, Girth Seam Tracking System Based
on Vision for Pipe Welding Robot, Robot. Weld., Intellige. & Automation, LNCIS

362, pp. 391–399, 2007.
Một đường theo dõi hình tròn dựa trên cấu trúc ánh sáng cho con robot hàn
đường ống được trình bày. Đầu tiên, các cảm biến thị giác được thiết kế dựa trên phân
tích tia phản xạ laser trên bề mặt kết cấu hàn và mối quan hệ vị trí của máy ảnh, mặt
phẳng tia laser và kết cấu hàn cho tác dụng của hình ảnh sọc laser. Các thuật toán xử lý
hình ảnh và các tính năng khai thác được phát triển trong trường hợp tia phản xạ nhiều
lần xáo trộn nhiều trong hình ảnh đường hàn. Việc thử nghiệm một con robot hàn
đường ống đã được tiến hành để xác minh tính hiện thực của đề tài này.

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 13


Hình 1.17. Cấu trúc của robot hàn ống của đề tài

- Ngô Mạnh Dũng, Võ Hoàng Duy, Nguyễn Thanh Phương và Sang Bong Kim,
Robust Control of Welding Robot for Tracking a Rectangular Welding Line,
International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 3 No. 3, 2006.
Bài viết đưa ra phương pháp điều khiển một robot hàn (WR) để khâu cuối của nó
để đi theo một đường hàn hình chữ nhật (RWL). WR bao gồm năm thiết bị truyền
động sử dụng một động cơ DC như một nguồn năng lượng. Hai bộ điều khiển được đề
xuất để kiểm soát khâu cuố
i của WR: một bộ điều khiển chính và một bộ điều khiển
servo. Thứ nhất, dựa trên phương trình động học của WR và các lỗi thông tin phản hồi
của nó bằng cách sử dụng phương pháp hồi tiếp bước (backstepping), bộ điều khiển
chính này được đề xuất để thiết kế các yếu tố đầu vào chuẩn cho các thiết bị truyền
động của WR để
khâu cuối của WR đi theo RWL. Thứ hai, dựa trên phương trình
động năng của thiết bị truyền động WR, bộ điều khiển servo được thiết kế bằng cách
sử dụng một phương pháp điều khiển xáo trộn hoạt động. Cuối cùng, một hệ thống

điều khiển kết hợp với bộ điều khiển chính và các bộ điều khiển servo làm cho khâu
cu
ối của WR đi theo RWL.

Chng 1: Tng quan v nn Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 14


Hình 1.18. Đường hàn hình chữ nhật (RWL)


Hình 1.19. Mô hình nguyên lý của Robot