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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM MẠNH TRƯỜNG

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ROBOT
HÀN TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 3 4 5 8

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM MẠNH TRƯỜNG

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204
Hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ CHÍ CƯƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10(2011


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Phạm Mạnh Trường

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 07 - 12 - 1986

Nơi sinh: Nam Định.

Quê quán: Trực Ninh – Nam Định.

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khu tập thể gia đình Vùng 4 Hải Quân, Cam
Nghĩa – Cam Ranh – Khánh Hòa.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại riêng: 0987627880

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09 / 2004 đến 02/ 2009.

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật. TPHCM.
Ngành học: Cơ khí chế tạo máy.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1/2009 tại Trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật. TPHCM.
Người hướng dẫn:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
4/2009 đến

nay.

Nơi công tác
Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao
Thắng

i

Công việc đảm nhiệm
Giảng viên


LỜI CAM ĐOAN
 Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
 Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày.. .. tháng.. .. năm 2011
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phạm Mạnh Trường

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu trong chương trình đào tạo sau đại học
của trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM, em đã tiếp thu và đúc kết được
nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình. Với đề tài nghiên cứu dưới hình
thức luận văn thạc sỹ, em đã vận dụng những kiến thức đã được học của mình để
giải quyết một vấn đề thực tế. Đề tài nghiên cứu và giải quyết vấn đề mới trong lĩnh

vực hàn tự động, vì lần đầu tiên tiếp xúc nên em gặp rất nhiều khó khăn.
Với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn TS. Lê Chí Cương cùng với sự
hỗ trợ của gia đình, bạn bè. Cho đến thời điểm này luận văn của em đã đạt được
những kết quả như mong muốn.
Đến đây, cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành đến:
-

Ban Giám Hiệu trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM.

-

Thầy TS. Lê Chí Cương – Khoa Cơ khí chế tạo máy - Trường Đại học
sư phạm kỹ thuật TP. HCM.

-

Quý thầy cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trường Đại học sư
phạm kỹ thuật TP. HCM.

-

Quý thầy cô ở phòng đào tạo và quý thầy cô ở các khoa khác – Trường
Đại học Sư phạm kỹ thuật TP. HCM

-

Gia đình, bạn bè.

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý
báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2011

Học viên thực hiện luận văn

iii


TÓM TẮT
Nội dung chính của luận văn là thiết kế - chế tạo thử nghiệm mô hình robot
hàn tự động nhận diện mối hàn để hàn các đường cong trong mặt phẳng nằm ngang.
Nôi dung gồm:
Chương 1:
Trình bày tổng quan về robot hàn: lịch sử phát triển của ngành hàn, ứng dụng
của robot hàn trong sản xuất, các dạng robot hàn, tình hình nghiên cứu ở trong và
ngoài nước, mục tiêu nghiên cứu của luận văn.
Chương 2:
Trình bày về phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc.
Chương 3:
Trình bày cấu trúc phần cứng của robot.
Chương 4:
Trình bày giải pháp nhận biết đường hàn và điều khiển đầu hàn.
Chương 5:
Trình bày bộ điều khiển của robot
Chương 6:
Trình bày việc thử nghiệm robot và đánh giá kết quả đạt được.
Chương 7:
Kết luận về các vấn đề đã giải quyết, các vấn đề còn tồn đọng và hướng phát
triển của luận văn.

iv


ABSTRACT
The main content of essay tends to design – make a prototype of welding
mobile robot automatic recognize the welding track to weld curve in horizontal
plane. The content includes:
Chapter 1:
This chapter shows general of welding robot: history and development of
welding, using of welding robot in manufacture, type of welding robot, problems
concerned in the research of welding robot in Viet Nam and other countries,
objective of essay.
Chapter 2:
This chapter shows the method Submerged Arc Welding.
Chapter 3:
This chapter shows the hardware of robot.
Chapter 4:
This chapter shows the way to recognize the welding track and control
welding torch.
Chapter 5:
This chapter shows control robot.
Chapter 6:
This chapter shows the results of research and comment about the result.
Chapter 7:
Sumary of essay.

v


MỤC LỤC

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. TỔNG QUAN VỀ LĨNH ROBOT HÀN
1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN. ................. 1
1.2. ROBOT HÀN. ............................................................................................. 3
1.2.1. Ứng dụng của robot hàn trong sản xuất ................................................. 3
1.2.2. Các dạng Robot hàn ............................................................................... 5
1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU. ...................................................................... 8
1.4. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ..................... 25
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................ 25
1.4.2. Giới hạn của đề tài ............................................................................... 26
CHƯƠNG 2. HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC

................................. 27

2.1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ 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 NIỆM ............................................................................................... 31
2.3. THIẾT BỊ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC .................................... 32

2.4. VẬT LIỆU HÀN ........................................................................................ 35
2.4.1. Dây hàn ................................................................................................ 35
2.4.2. Thuốc hàn ............................................................................................. 36
2.5. KỸ THUẬT HÀN ...................................................................................... 37

vi


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 DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN........................................... 44
2.6.1. Ảnh hưởng của chế độ hàn................................................................... 44
2.6.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ .................................................. 47
2.6.3. Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu ....................................................... 51
CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT .................................... 53
3.1. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT HÀN TỰ 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. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BỐ 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. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA 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. QUỸ ĐẠO CÔNG NGHỆ HÀN ................................................................. 79
3.4.1. Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn ........................................................ 79

vii


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. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN.................................... 82
4.1. PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT ĐƯỜNG HÀN Ở CÁC
ĐỀ TÀI TRƯỚC ............................................................................................ 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. PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT 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 PHƯƠNG ÁN NHẬN BIẾT ĐƯỜNG HÀN ..................................... 95
4.3.1. Các phương án ..................................................................................... 95
4.3.2. Lựa chọn phương án tối ưu ................................................................ 103
4.3. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN .............................................. 104
CHƯƠNG 5. BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT ................................................ 110

5.1. SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN 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. MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ROBOT ....................................................... 124
CHƯƠNG 6. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .............................. 128
6.1. THỬ NGHIỆM ........................................................................................... 128
6.2. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .............................................................................. 131

viii


CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN .................................................................................... 132
7.1. TÓM TẮT ................................................................................................... 132
7.2. NHỮNG CÔNG VIỆC ĐÃ THỰC HIỆN ĐƯỢC ..................................... 132
7.3. NHỮNG HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI............. 132
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 134
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 157

ix


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

x


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. Tổ 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 đổi hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn ............... 45
Hình 2.21. Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn theo điện áp
hàn ............................................................................................................................. 46

xi

Hình 2.22. Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo tiết diện điện cực ........................... 46
Hình 2.23. Ảnh 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. Ảnh hưởng cực tính dòng hàn ................................................................. 50
Hình 2.28. Độ nhú điện cực ...................................................................................... 51
Hình 2.29. Ảnh 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 tổng 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

xii


Hình 3.19. Puly 3 tầng .............................................................................................. 68
Hình 3.20. Nguyên tắc thay đổi 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 đổi 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. Ổ 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

xiii


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

xiv


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

xv


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

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 ổ 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

xvi


Chương 1: Tổng quan về nền Robot hàn

GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG 

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN
1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA 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.
Năm 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, đến 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 cuối
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 nhiều 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 lớn, ….
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 bảo vệ (Self-Shielded Arc Weld), hàn TIG. Một số phương pháp hàn mới
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG

Trang 1


Chương 1: Tổng quan về nền Robot hàn

GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG 

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 đó 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 kỹ 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
HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG

Trang 2

Chương 1: Tổng quan về nền Robot hàn

GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG 

1.2. ROBOT HÀN:
1.2.1. Ứng dụng của robot hàn trong sản xuất:
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 năng 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 mệt 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 Ðức, 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.
Ứng 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 sử 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).

HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG

Trang 3