Nghiên cứu tự động hóa quá trình hàn hồ quang bằng robot hàn di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN XUÂN DŨNG

NGHI N C U TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH HÀN
HỒ QUANG BẰNG ROBOT HÀN DI ĐỘNG

LUẬNVĂNTHẠCSĨ KỸ THUẬT
CHẾ TẠO MÁY

NGƢỜI HƢỚNG D N KHOA HỌC
1. GS.TSKH: Đ SANH
2. PGS.TS:

PHAN BÙI KHÔI

HÀ NỘI – 2013


LỜI CAM ĐOAN
---------------***--------------Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu tự động hóa quá
trình hàn hồ quang bằng robot hàn di động” là công trình nghiên cứu của riêng
tôi, các số liệu sử dụng được chỉ rõ nguồn trích dẫn trong mục tài liệu tham khảo.
Kết quả nghiên cứu của luận văn này chưa từng được công bố ở một công trình nào
khác.
Tác giả

Trần Xuân Dũng

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1
CHƢƠNG I HÀN HỒ QUANG VÀ QUÁ TRÌNH TỰ ĐỘNG HÓA HÀN HỒ
QUANG ......................................................................................................................3
1.1. Hàn hồ quang ....................................................................................................3
1.1.1 Mạch hàn cơ bản .........................................................................................4
1.1.2 Các thông số của quá trình hàn hồ quang. ..................................................4
1.2 Hàn hồ quang tự động .......................................................................................5
1.2.1 Thực chất và đặcđiểm .................................................................................5
1.2.2 Phạm vi sử dụng: ........................................................................................6
1.3

ng dụng robot trong hàn hồ quang tự động. ...................................................6

1.3.1 Robot. ..........................................................................................................6
1.3.2 Robot hàn hồ quang ....................................................................................9
1.3.3 Robot hàn di động. ....................................................................................15
1.3.3.1. Cấu tạo ..............................................................................................17
1.3.3.2. Nguyên lý làm việc. ..........................................................................18
KẾT LUẬN CHƢƠNG I ........................................................................................18
CHƢƠNG II HÀN HỒ QUANG BẰNG ROBOT HÀN DI ĐỘNG CÁC MỐI
HÀN CÓ BI N DẠNG ĐƢỜNG THẲNG ...........................................................19
2.1 Hàn v tàu thủy các mối hàn 1G .....................................................................19
2.1.1. Mối hàn 1G ..............................................................................................19
2.1.2. Cấu tr c động h c robot hàn di động ......................................................20
2.1.3. Xây dựng cộng nghệ hàn tự động. ...........................................................22
2.1.3.1 Vật liệu và thiết bị hàn .......................................................................22

2.1.3.2 Cơ sở lý thuyết xác định chế độ hàn giáp mối ...................................23
2.2 Hàn v tàu thủy các mối hàn 2G .....................................................................37


2.2.1. Mối hàn 2G ..............................................................................................37
2.2.2. Cấu tr c động h c robot di động. ............................................................39
2.2.3. Xây dựng cộng nghệ hàn tự động. ...........................................................40
2.2.3.1 Vật liệu và thiết bị hàn .......................................................................40
2.2.3.2Tính toán xác định chế độ hàn giáp mối với chiều dày vật liệu
12mm ..................................................................................................... 41
2.3 Hàn v tàu thủy các mối hàn 3G .....................................................................47
2.3.1. Mối hàn 3G ..............................................................................................47
2.3.2. Cấu tr c động h c robot di động .............................................................48
2.3.3. Xây dựng cộng nghệ hàn tự động. ...........................................................50
2.3.3.1 Vật liệu và thiết bị hàn .......................................................................50
2.3.3.2 Tính toán xác định chế độ hàn giáp mốichiều dày vật hàn 12mm.....51
KẾT LUẬN CHƢƠNG II.......................................................................................55
CHƢƠNG III HÀN HỒ QUANG BẰNG ROBOT HÀN DI ĐỘNG CÁC MỐI
HÀN CÓ BI N DẠNG ĐƢỜNG CONG ..............................................................56
3.1 Mô hình hóa mối hàn .......................................................................................56
3.1.1 Mối hàn giáp mối v tàu thủy ...................................................................56
3.1.2 Phương pháp nội suy mô hình hóa mối hàn .............................................57
3.2. Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot. ......................................................61
3.2.1 Thiết lập phương trình động hoc robot. ....................................................61
3.2.1.1 Xây dựng cấu tr c động h c .............................................................61
3.2.1.2 Thiết lập bộ thông số Denavit-Hartenbeg .........................................62
3.2.1.3 Thiết lập phương trình động h c .......................................................63
3.2.2 Xác định quy luật chuyển động các khâu của robot. ................................65
3.2.2.1 Giải bài toán động h c ngược về vị trí của robot ...............................65
3.2.2.2

ng dụng phần mềm mô ph ng số ...................................................68

KẾT LUẬN CHƢƠNG III .....................................................................................69
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71


DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Hình 1.1: Hàn hồ quang ..............................................................................................3
Hình 1-2: Hàn tự động dưới thuốc bảo vệ ..................................................................5
Hinh 1-3: Robot hàn di đông hàn mối hàn 3G ...........................................................9
Hình 1.4: Robot đang thực hiện hàn ........................................................................10
Hình 1-5: Nguồn hàn .................................................................................................11
Hình 1-6: M hàn ......................................................................................................12
Hình 1-7: Bộ cấp dây hàn..........................................................................................12
Hình 1-8: Khung giữ vật hàn ....................................................................................14
Hình 1-9: Bộ làm sạch m hàn ..................................................................................14
Hình 1-10: Bộ định tâm.............................................................................................15
Hinh 1- 11: Robot hàn di động hàn ở vị trí hàn trần .................................................16
Hình 1-12: Mô hìnhrobot hàn di độngthực hiện mối hàn .........................................17
Hình 2-1: Mô hìnhcơ h c robot hàn di động hàn mối hàn 1G ..................................19
Hình 2-2: Sơ đồ động h c của robot hàn di động hàn mối hàn 1G ..........................21
Hình 2-3: Mối hàn 1G trên chiều dày vât hàn 12mm ...............................................32
Hình 2-4:Mô hình Robot hàn tự động hàn mối hàn 2G ............................................37
Hình 2-5: Sơ đồ động h c của robot hàn di động hàn mối hàn 2G ..........................39
Hình 2-6: Mối hàn 2G trên chiều dày vât hàn 12mm ...............................................41
Hình 2-7 :Mô hình robot hàn di đông hànmối hàn 3G..............................................47
Hình 2-8: Sơ đồ động h c của robot hàn di động hàn mối hàn 3G ..........................49
Hình 2-9: Mối hàn 3G trên chiều dày vât hàn 12mm ...............................................51

Hình 3-1: Mô hình quỹ đạo của đường hàn khi hàn v tàu thủy bằng robot ............57
Hình 3-2: Xây dựng đa thức nội suy của đường cong ..............................................57
Hình 3-3 Mô hình cơ h c hệ thống robot di động hàn võ tàu thủy ...........................58
Hình 3-4: Đặt hệ quy chiếu của robot hàn ................................................................61
Hình 3-5 Quy luật chuyển động của biến khớp q1 ...................................................68
Hình 3-6 Quy luật chuyển động của biến khớp q3 ...................................................68


DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG LUẬN VĂN
Bảng 2-1: Thành phần hóa tính theo phần trăm. .......................................................22
Bảng 2-2: Thành phần hóa h c .................................................................................22
Bảng 2-3: Cơ tính của kim loại hàn đắp ...................................................................22
Bảng 2-4: Mật độ dòng điện......................................................................................24
Bảng 2-5:Tốc độ cấp dây, cường độ dòng điện hàn khi hàn trong môi trường CO2 24
Bảng 2-6: Trị số N theo đường kính dây ..................................................................25
Bảng 2-7: Thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 12mm dây lõi bột ......................34
Bảng 2-8:Thông số hàn cho tư thế 1G, chiều dày 12mm,dây lõi đặc .......................37
Bảng 2- 9: Thành phần hóa tính theo phần trăm. ......................................................40
Bảng 2-10: Thành phần hóa h c ...............................................................................40
Bảng 2-11: Cơ tính kim loại đắp ...............................................................................41
Bảng 2-12: Thông số hàn cho tư thế 2G, chiều dày 12mm, dây lõi bột ..................44
Bảng 2-13: Thông số hàm cho tư thế 2G chiều dày 12mm,dây lõi đặc ....................46
Bảng 2-14: Thành phần hóa tính theo phần trăm. .....................................................50
Bảng 2-15: Thành phần hóa h c ...............................................................................50
Bảng 2-16: Bảng cơ tính của kim loại đắp ................................................................50
Bảng 2- 17: Thông số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 12 mm, dây lõi bột .................53
Bảng 2-18: Tthông số hàn cho tư thế 3G, chiều dày 12mm, dây l i đặc ..................55
Bảng 3.1: Bộ thông số Denavit-Hartenbeg ...............................................................62

LỜI NÓI ĐẦU
Việc nghiên cứu và ứng dụng robot vào sản xuất công nghiệp đ và đang
được triển khai ngày càng nhiều ở nước ta nhằm phục vụ sự nghiệp công nghiệp
hóa, hiện đại hóa đất nước. Về mặt kỹ thuật, robot là một sản phẩm tiêu biểu của
khoa h c công nghệ Cơ điện tử, là sự tích hợp của đa ngành, đa lĩnh vực khoa h c
công nghệ như: Cơ khí tự động hóa, Điện - Điện tử, công nghệ thông tin,… Về kết
cấu cơ khí, robot là thiết bị linh hoạt có kết cấu g n nhẹ, dễ chế tạo, lắp ráp so với
các thiết bị khác. Khả năng linh hoạt cao trong việc lựa ch n và thay đổi cấu tr c
theo yêu cầu thao tác công nghệ và ứng dụng.
Tự động hóa quá trình hàn đ và đang được nghiên cứu, ứng dụng vào thực
tế ngày càng nhiều nhờ vào các ưu điểm nổi bật như: Cải thiện môi trường làm việc
cho công nhân, cho chất lượng mối hàn cao, năng suất ổn định và giá thành thấp
hơn. Việc tự động hóa này được thực hiện bởi các robot hàn cố định đ được nghiên
cứu từ lâu tại nhiều nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc… Các
robot được ứng dụng chủ yếu để hàn các mối hàn có độ phức tạp cao do sự linh
động của các cánh tay robot. Thế nhưng ch ng chỉ có thể hoạt động trong không
gian nh , khó có thể áp dụng cho các mối hàn đường thẳng, dài trong đóng tàu.
Nhằm nghiên cứu ứng dụng robot hàn vào thực tế sản xuất, tác giả luận văn
lựa ch n đề tài: “Nghiên cứu tự động hóa quá trình hàn hồ quang bằng robot
hàn di động”.
Luận văn này tập trung nghiên cứu các yêu cầu về kỹ thuật đặt ra với robot
hàn tàu thủy, tổng hợp cấu tr c của robot, nghiên cứu tự động hóa của robot nói
trên, xây dựng qũy đạo chuyển động, mô ph ng thử nghiệm robot trên phần mềm,
xây dựng các phần mềm hỗ trợ cần thiết khác.
Sau nhiều tháng được sự hướng dẫn tận tình của 2 thầy giáo GS.TSKH Đỗ
Sanh và PGS.TS: Phan Bùi Khôi cùng với việc tham khảo một số tài liệu có liên
quan, theo yêu cầu đặt ra tôi đ hoàn thành bản luận văn được giao.
Tuy nhiên trong quá trình nghiên cứu, khó tránh kh i những thiếu sót, tôi rất
mong nhận được ý kiến góp ý của quý Thầy, quý Cô và bạn bè, đồng nghiệp.
1

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Đỗ Sanh và PGS.TS Phan
Bùi Khôi, quý Thầy, quý Cô trong Viện cơ khí, Viện đào tạo Sau Đại H c – Trường
Đại h c Bách Khoa Hà Nội đ hướng dẫn gi p đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Ngƣời viết

Trần Xuân Dũng

2


CHƢƠNG I
HÀN HỒ QUANG VÀ QUÁ TRÌNH TỰ ĐỘNG HÓA HÀN HỒ QUANG
1.1. Hàn hồ quang
Hàn hồ quang là phương pháp nối hai miếng kim loại bằng cách làm nóng chảy
ch ng hoặc một dây kim loại trung gian, nhiệt sinh ra từ một hồ quang điện giữa các
vật hàn và đầu que hàn. Q a trình hàn có thể cần hoặc không cần kim loại điền đầy.
Điện cực có thể là dây kim loại tự tiêu hoặc que các-bon hay que hàn không tự tiêu.
Khi dùng điện cực không tự tiêu, kim loại điền đầy có thể lấy từ một dây kim loại
phụ. Còn điện cực tự tiêu vừa mang dòng điện hàn, vừa nóng chảy và điền đầy kim
loại vào mối hàn.

Hình 1.1: Hàn hồ quang
Một trong những vấn đề chính trong quá trình hàn là khi kim loại nóng lên,
ch ng sẽ tương tác hóa h c với không khí. Có nhiều phương pháp cách ly vật hàn
kh i không khí xung quanh. Nếu dùng khí trơ thì quá trình hàn g i là hàn hồ quang
khí trơ. Hàn hồ quang lõi thuốc giống như hàn hồ quang khí trơ, chỉ khác ở điện
cực. Kỹ thuật hàn này dùng để nối các miếng kim loại dày, như ở các bình cao áp,
ống cống, ống gas. Hàn hồ quang khí trơ và hàn hồ quang plasma cũng là những kỹ

thuật hàn được dùng phổ biến.
3


1.1.1 Mạch hàn cơ bản
Hồ quang được tạo ra giữa khe hở khi chạm điện cực vào vật hàn rồi nhấc ra
nhưng vẫn giữ chiều dài hồ quang một khoảng 2÷4 mm . Hồ quang sinh ra nhiệt độ
khoảng 36000C tại đầu que hàn. Nhiệt này làm nóng chảy cả kim loại nền và điện
cực, tạo ra một vũng kim loại nóng chảy, nó đông cứng sau khi điện cực di chuyển
tới vị trí tiếp theo d c mối hàn.
1.1.2 Các thông số của quá trình hàn hồ quang.
Trong các quá trình hàn hồ quang, có một số thông số ảnh hưởng tới kích
thước, hình dạng, chất lượng và độ bền của mối hàn.
*Đƣờng kính dây hàn
Là yếu tố quyết định để xác định chế độ hàn như: Điện thế hồ quang (Uh),
dòng điện hàn (Ih), ch ng có ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất chất lượng hiệu quả
quá trình hàn. Nó phụ thuộc vào chiều dày vật hàn, dạng liên kết, vị trí mối hàn trong
không gian.
*Điện thế hồ quang (điện áp hàn )
Đây là thông số rất quan tr ng trong hànnó quyết định dạng truyền (chuyển
dịch) kim loại l ng. Điện áp hàn sử dụng phụ thuộc vào chiều dày của chi tiết hàn,
kiểu hàn, kiểu liên kết, kích cỡ và thành phần điện cực, thành phần khí bảo vệ, vị trí
hàn. Để có giá trị điện áp hàn hợp lý cần phải tính toán hay tra bảng, sau đó tăng hoặc
giảm theo quan sát đường hàn để ch n giá trị điện áp thích hợp.
*Dòng điện hàn
Dòng điện hàn được ch n phụ thuộc vào đường kính điện cực (Dây hàn).
Dạng truyền kim loại l ng của liên kết hàn. Khi dòng điện hàn của mối hàn quá thấp
sẽ không đảm bảo ngấu hết chiều dày liên kết dẫn đến giảm độ bền của mối hàn. Khi
dòng điện quá cao sẽ làm tăng sự bắn toé kim loại, gây ra rỗ khí, biến dạng, mối hàn
không ổn định

*Tốc độ hàn
Tốc độ hàn phụ thuộc rất nhiều vào chiều dày vật liệu và số lớp hàn, nó quyết
định chiều sâu ngấu của mối hàn. Nếu tốc độ hàn thấp kích thước vũng hàn sẽ lớn và
4


ngấu sâu. Khi tăng tốc độ hàn, tốc độ cấp nhiệt của hồ quang sẽ giảm dẫn đến giảm
độ ngấu và thu hẹp đường hàn.
*Phần nhô của điện cực hàn
Đó là khoảng cách giữa đầu điện cực và mép bép tiếp điện. Khi tăng chiều dày
phần nhô, nhiệt nung nóng đoạn dây hàn sẽ tăng lên dẫn đến làm giảm cường độ
dòng điện hàn cần thiết để nóng chảy điện cực theo tốc độ cấp dây nhất định. Khoảng
cách này rất quan tr ng khi hàn thép không gỉ sự biến thiên nh cũng có thể làm tăng
sự biến thiên dòng điện một cách rõ rệt. Chiều dài phần nhô quá lớn sẽ làm dư kim
loại nóng chảy ở mối hàn , làm giảm độ ngấu và l ng phí kim loại hàn, tính ổn định
của hồ quang cũng bị ảnh hưởng. Ngược lại nếu giảm chiều dài phần nhô quá nh sẽ
gây ra sự bắn tóe kim loại l ng dính vào m hàn, chụp khí, làm cản trở dòng khí bảo
vệ gây ra rỗ khí cho mối hàn
*Lƣu lƣợng khí bảo vệ
Có ảnh hưởng tới kim loại chuyển dịch từ dây vào vùng hàn và chất lượng độ
thấu, hình dáng của mối hàn.
1.2 Hàn hồ quang tự động
1.2.1 Thực chất và đặcđiểm

Hình 1-2: Hàn tự động dưới thuốc bảo vệ
Hàn hồ quang tự động là quá trình hàn nóng chảy mà hồ quang cháy giữa dây
hàn và vật hàn được bảo vệ dưới lớp thuốc hàn hoặc trong môi trường khí bảo vệ.
5

Dưới tác dụng của nguồn nhiệt, mép hàn, dây hàn bị hồ quang làm nóng chảy
tạo thành vũng hàn, dây hàn được đẩy vào vũng hàn bằng một cơ cấu cấp dây với tốc
độ phù hợp với tốc độ chảy của nó.
Theo độ chuyển dời của nguồn nhiệt kim loại bể hàn sẽ kết tinh tạo thành mối
hàn. Trên bề mặt vũng hàn và phần mối hàn đ đông đặc hình thành lớp xỉ có tác
dụng tham gia vào các quá trình luyện kim khi hàn, bảo vệ và giữ nhiệt cho mối hàn,
và sẽ tách kh i mối hàn sau khi hàn, phần thuốc hàn chưa hàn có thể tái sử dụng lại.
Hàn hồ quang tự động được tự động cả hai khâu cấp dây vào vùng hồ quang
và chuyển động hồ quang theo d c trục mối hàn.
1.2.2 Phạm vi sử dụng
Hàn hồ quang tự động được ứng dụng rộng r i trong nhiều lĩnh vực cơ khí chế
tạo sản xuất.
Các kết cấu thép dạng tấm v kích thước lớn, các dầm thép có khẩu độ và
chiều cao, các ống thép có đường kính lớn, các bồn bể, các bình chứa chịu áp lực và
trong công nghiệp đóng tàu.
Tuy nhiên phương pháp này chủ yếu được ứng dụng để hàn các mối hàn ở vị
trí hàn bằng, các mối hàn có chiều dài lớn và có quỹ đạo không phức tạp.
Phương pháp hàn hồ quang tự động thể hàn được các chi tiết có chiều dày từ
vài mm đến hàng trăm mm.
1.3

ng dụng robot trong hàn hồ quang tự động.

1.3.1 Robot.
Thuật ngữ “Robot” lần đầu xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s
Unisersal Robot” của Karel Capek. Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel
Capek bắt đầu được thực hiện. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đ
xuất hiện những cánh tay máy chép hình điều khiển từ xa. Vào giữa những năm 50
bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đ xuất hiện các loại tay máy chép hình
thủy lực và điện tử, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General

Eletric. Năm 1954 George C.Devol đ thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề

6


dùng để chuyển hàng theo chương trình”. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph
F.Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không đ tạo ra loại robot công
nghiệp đầu tiên năm 1959.
Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một
nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì. Năm 1967 Nhật
Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì. Đến
năm 1990 đ có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như
công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đ đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot
nổi tiếng.
Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đ ch ý đến
sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Từ
những năm 80, nhất là vào những năm 90 do áp dụng rộng r i các tiến bộ kỹ thuật
về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đ gia tăng, giá
thành đ giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều tính vượt bậc. Nhờ vậy robot công
nghiệp đ có vị trí quan tr ng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại.
Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong các lĩnh vực cơ khí, điện
tử, tin h c thì sự tích hợp của 3 lĩnh vực đó là cơ điện tử cũng phát triển và được coi
là một trong quá trình hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước. Khả năng làm việc
của robot thì có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng và độ chính xác cao, hiệu quả và
kinh tế cao, làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được,
trong các công việc đòi h i phải cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng,
tinh tế và chính xác nên cần có thợ tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng xuốt
ngày thì robot có khả năng thay thế hoàn toàn.
Nhìn chung Robot có những đặc điểm nổi trội như:
- Có thể thực hiện công việc một cách bền bỉ, không biết mệt m i nên chất

lượng sản phẩm được giữ ổn định. Giá thành sản phẩm hạ do giảm được chi phí cho
người lao động.
- Nhất là ở nhiều nơi hiện nay cũng cần ứng dụng công nghệ robot để cải
thiện điều kiện lao động vì trong thực tế sản xuất người lao động phải làm việc suốt
7


buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, ồn ào…quá mức cho phép nhiều lần. Thậm
chí phải làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức kh e con người.
- Mặt khác, khi áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cũng cần lưu ý và
phân tích kỹ toàn bộ hệ thống sản xuất sao cho phù hợp với các nguyên công và phù
hợp với tình hình sản xuất của nhà máy để có thể khai thác tốt nhất tính năng của
robot.
- Hơn nữa robot còn có ưu điểm quan tr ng nhất đó là tạo nên khả năng linh
hoạt hóa sản xuất. Mà trong đó kỹ thuật robot và máy vi tính đ đóng vai trò quan
tr ng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt.
So với l c mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đ có những bước phát triển
vượt bậc. Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỷ trước, với sự góp mặt của máy
tính. Ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy
nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc phức tạp.
Ngày càng có những cải tiến quan tr ng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng
độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình.
Tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng
phạm vi ứng dụng cho robot. Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày
càng nhiều vì một mặt giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên
tục giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng. Mặt khác chi phí về lương và các
khoản phụ cấp cho người lao động ngày càng tăng. Robot ngày càng vạn năng hơn
để có thể đáp ứng làm nhiều việc trên các dây chuyền khác nhau.

8

1.3.2 Robot hàn hồ quang

Hinh 1-3: Robot hàn di đông hàn mối hàn 3G
Các robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay có quay hoặc tịnh tiến. Loại robot
trục Đề-các chỉ được dùng cho các robot rất lớn hoặc rất nh . Cánh tay robot được
sử dụng nhiều do nó cho phép s ng hàn chuyển động như cách con người thao tác.
Góc s ng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở m i vị trí, nhất là ở những
vị trí khó tiếp cận. Cánh tay robot cũng g n nhẹ nhất và có tầm với lớn nhất.
Thường các robot hàn có từ 3 ÷ 6 bậc tự do, lập trình được. Các cánh tay robot do
nhiều nhà cung cấp bán sẵn như ABB, FANUC, PANASONIC, KUKA,
MOTOMAN.

9


Hình 1.4: Robot đang thực hiện hàn
Về mặt truyền động và điều khiển, robot được cấu tạo từ các khối cấu tr c cơ
khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Các cơ cấu tác động này có thể hoạt động
phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dưới sự điều khiển của
một bộ phận có cấu tạo như máy tính, còn g i là những bộ điều khiển PC. Các cơ
cấu tác động này có thể hoạt động nhờ các cơ cấu tác động.
Cấu tạo của Robot hàn được chế tạo khác nhau tùy theo tính năng cũng như nhà sản
xuất…..nhưng cơ bản chúng được xây dựng từ những thành phần cơ bản sau:
1. Robot hàn
2. Bộ điều khiển
3. Nguồn dẫn động (động cơ, hệ thống dẫn động…)
4. M hàn
5. Nguồn hàn( máy hàn)

6. Bộ làm sạch m hàn
7. Bộ cấp dây
8. Khung hàn và tay hàn
9. Bộ định tâm

10


10. Cảm biến
*Nguồn hàn
BIỂ
U TƯNG – CHẾ
ĐỘ
HÀ
N: GTAW / FCAW

BIỂ
U TƯNG – CHẾ
ĐỘ
HÀ
N: SAW

TAY GẠT CHUYỂ
N ĐỔ
I
PHƯƠNG PHÁ
P HÀ
N

TAY GẠT - CHẾ

ĐỘ
HÀ
N SÂ
U NGẤ
U

ĐỒ
NG HỒ
:

BIỂ
U TƯNG – CHẾ
ĐỘ

V/ A

NÚ
M Đ/ CHỈ
NH ĐIỆ
N Á
P/
DÒ
NG HÀ
N

HÀ
N: SM AW / TIG

CÁ
P ĐIỀ

U KHIỂ
N
CONTROL - LT7

NÚ
M ĐIỀ
U CHỈ
NH CHẾ
ĐỘ
HÀ
N: SMAW / TIG

Hình 1-5: Nguồn hàn
Nguồn hàn phải cung cấp dòng điện điều khiển được với điện áp thích hợp
cho q trình hàn. Thường là 10-35V và 15-100A.
Các máy hàn hồ quang tự động cần nguồn điện phức tạp hơn hàn bán tự
động. Máy hàn tự động cần giao tiếp với nguồn điện để điều khiển nguồn hàn nhằm
mang lại hiệu năng tối ưu.
*Mỏ hànhồ quang
M hàn dùng để đưa điện cực đến mối hàn, truyền dòng điện hàn vào điện
cực và tạo ra lớp cách ly quanh mối hàn. Có nhiều kiểu m hàn khác nhau, tùy theo
q trình hàn, dòng hàn, kích thước điện cực và chất cách ly.
M hàn có thể được làm nguội bằng nước ln chuyển hoặc khơng khí. Q a
trình hàn dùng điện cực tự tiêu như hàn hồ quang kim loại khí hoặc hàn hồ quang
lõi thuốc, có thể dùng hoặc khơng dùng khí cách ly.

11


Các m hàn có thể ở dạng thẳng hoặc cong. M hàn cong để tiếp cận mối

hàn dễ dàng hơn.

Hình 1-6: Mỏ hàn
Chức năng chính của m hàn là truyền dòng điện tới điện cực. Đối với quá
trình hàn dùng điện cực tự tiêu, dòng hàn được truyền tới điện cực khi nó chuyển
động qua s ng. Chức năng thứ hai của m hàn là cấp khí cách ly tới vũng hàn (nếu
có). Hàn hồ quang kim loại dùng khí hoạt động như các-bon đi-ôxít hoặc hỗn hợp
khí trơ, thường là argon với CO2 hoặc ô-xy.
M hàn được mắc vào thân robot bằng một cánh tay thích hợp. Thường là
một ly hợp chống va đập, phòng khi điện cực bị dính hoặc va chạm khi lắp đặt, khởi
động.
*Bộ cấp dây

Hình 1-7: Bộ cấp dây hàn

12


Bộ cấp dây dùng để bổ sung kim loại điền đầy trong q a trình hàn tự động.
Điều này cho phép linh hoạt trong việc thiết lập nhiều tốc độ cấp dây khác nhau để
phù hợp với những yêu cầu cụ thể của từng dây chuyền. Bình thường, bộ cấp dây
được mắc trên cánh tay robot với nguồn hàn. Với hàn tự động, cần có một giao diện
điều khiển giữa bộ điều khiển robot, nguồn và bộ cấp dây. Hệ thống cấp dây hàn
phải phù hợp với quá trình hàn và kiểu nguồn điện được sử dụng.
Có hai kiểu cơ bản. Kiểu thứ nhất dùng cho hàn dùng dây điện cực tự tiêu,
g i làbộ cấp dây điện cực. Điện cực là một phần của mạch hàn, và kim loại nóng
chảy từ điện cực lấp đầy vào mối hàn. Có hai loại cấp dây điện cực khác nhau.
Nguồn công suất không đổi cần một bộ cấp dây cảm biến, trong đó tốc độ cấp dây
thay đổi liên tục. Còn nguồn điện áp không đổi cần tốc độ cấp dây không đổi trong
suốt quá trình hàn.

Kiểu cấp dây thứ hai g i là cấp dây nguội và được dùng cho hàn hồ quang.
Điện cực không phải là một phần của mạch hàn, và kim loại điền đầy lấy từ vật hàn.
*Định vị và giữ cố định vật hàn
Để nối các vật hàn, mỗi vật hàn phải được căn chỉnh chính xác và giữ chắc
chắn tại chỗ trong quá trình hàn. Một điều quan tr ng là cách thiết kế một khung
giữ các vật hàn tại vị trí thích hợp. Bộ phận này phải thao tác nhanh và dễ dàng, giữ
chắc các vật hàn cho tới khi ch ng dính vào nhau và phải cho phép m hàn tự do
tiếp cận mối hàn.
Bộ định vị có thể được thiết kế giống như trong hàn bằng tay, hoặc chuyên
biệt để tăng tính linh hoạt và tầm hoạt động của các hệ thống hàn tự động. Độ chính
xác cũng phải cao hơn. Ngoài ra, các điều khiển định vị robot phải tương thích và
tuân thủ theo bộ điều khiển robot trung tâm để đạt được chuyển động phối hợp tức
thì của nhiều trục trong khi hàn.

13


Tuy nhiên, thao tác nâng hạ các bộ phận tĩnh của hệ robot rất tốn thời gian và
có thể phi thực tế. Sẽ hiệu quả hơn nếu có hai hay nhiều khung giữ trên một bộ định
vị vật hàn quay, mặc dù chi phí ban đầu cao hơn.

Hình 1-8: Khung giữ vật hàn
*Bộ làm sạch mỏ hàn

Hình 1-9: Bộ làm sạch mỏ hàn
Để làm việc chính xác và tin cậy, M hàn hồ quang phải được làm sạch liên
tục. Chu kỳ làm việc cao độ của hàn tự động nên quá trình làm sạch s ng hàn cũng
phải được tự động hóa. Chất tách vẩy hàn được phun vào mũi m hàn. Ngoài ra, bộ
làm sạch còn có thể trà sát mũi m hàn để loại b vẩy hàn bám vào và cắt dây hàn.

14


Hệ thống làm sạch phải được tự động kích hoạt tại các thời điểm mà hệ điều khiển
yêu cầu.
*Bộ định tâm
Quá trình căn chỉnh tr ng tâm là những yếu tố cơ bản để thực hiện thành
công hệ thống hàn tự động. Bộ định tâm dùng để phát hiện vị trí thực tế của cạnh
vật hàn so với khung robot, từ đó tính ra chính xác tr ng tâm công cụ so với vật
hàn.

Hình 1-10: Bộ định tâm
Điều kiện để ứng dụng robot hàn có hiệu quả là sản phẩm loạt lớn hoặc hàng
khối, các sản phẩm thuộc các h chi tiết tương tự như nhau về mặt hình h c, yêu
cầu tính đồng đều của sản phẩm cao. Hàn bằng robot thường đòi h i kèm theo các
trang bị công nghệ phụ khác như đồ gá chuyên dùng, đồ gá nhóm tự động khá tốn
kém do vậy các lĩnh vực có doanh thu lớn như ô tô, xe máy là thị trường chính của
robot hàn.
1.3.3 Robot hàn di động.
Tự động hóa quá trình hàn đ và đang được nghiên cứu, ứng dụng vào thực
tế ngày càng nhiều nhờ vào các ưu điểm nổi bật như: Cải thiện môi trường làm việc

15


cho công nhân, cho chất lượng mối hàn cao, năng suất ổn định và giá thành thấp
hơn. Việc tự động hóa này được thực hiện bởi các robot hàn đ được nghiên cứu từ
lâu tại nhiều nước phát triển trên thế giới như Mỹ, Nhật, Hàn Quốc… Các robot
được ứng dụng chủ yếu để hàn các mối hàn có độ phức tạp cao do sự linh động của
các cánh tay robot. Thế nhưng ch ng chỉ có thể hoạt động trong không gian nh ,

khó có thể áp dụng cho các mối hàn đường thẳng, dài trong đóng tàu.
Trong nghành công nghiêp nói chung và chế tạo v tàu thủy nói riêng, hàn
đóng vai trò quan tr ng trong việc tạo ra kết cấu v và thân tàu. Ở các cơ sở đóng
tàu, robot hàn di động được sử dụng để cải thiện năng suất và chất lượng, làm tăng
độ chính xác, độ bền, độ ngấu đồng đều của mối hàn. Khả năng tự động của các
robot hàn di động hiện nay có hạn chế bởi khả năng lập trình. Bởi vậy robot hàn di
động có thể thực hiện các mối hàn tự động với cấu hình không quá phức tạp. Khả
năng lập trình linh hoạt của robot được cải thiện sẽ làm tăng khả năng điều khiển
robot tự động thực hiện các mối hàn có cấu hình phức tạp. Để đạt được mục tiêu
xây dựng các phần mềm linh hoạt điều khiển robot hàn di động, một trong các
nhiệm vụ hàng đầu là khảo sát bài toán động h c. Kết quả sẽ là cơ sở cho việc lập
trình quỹ đạo, xây dựng các chương trình tích hợp điều khiển robot.

Hinh 1- 11: Robot hàn di động hàn ở vị trí hàn trần
Trong đóng tàu, loại gantry robot được sử dụng nhiều để hàn các gân tăng
cường độ cứng hoặc hàn ghép mí các tấm thép. Thế nhưng điểm yếu của ch ng lại
là có kết cấu quá cồng kềnh, khó di chuyển. Vì vậy, các xưởng đóng tàu cần trang
bị các loại robot di động hàn đường thẳng có kích thước nh g n, chi phí rẻ nhưng
16


hiệu quả cao. Sản phẩm của nhóm nghiên cứu đáp ứng tốt nhu cầu này, tốc độ hàn
ổn định, mối hàn tạo ra thẳng và đều. Mối hàn đạt độ ngấu. Khi hàn đứng, tiến hành
hàn từ trên xuống, tránh được hiện tượng chảy của vũng hàn. Vị trí m hàn khi hàn
trần là 450 so với phương thẳng đứng.
Cũng giống như Robot hàn thì trong Robot hàn di động có thêm bộ phận gi p
Robot có thể linh hoạt thêm một chuyển động là chuyển động tịnh tiến khi toàn bộ
Robot được lắp trên một băng tải hoặc ray dẫn. Khi đó vùng hoạt động của Robot sẽ
được mở rộng hơn rất nhiều từ đó sẽ sử dụng được tối đa hiệu quả mà Robot mang
lại.

Trong nghành đóng tàu việc ứng dụng robot hàn di động vào quá trình hàn là
hết sức cần thiết vì thực tế chế tạo v tàu thủy số lượng các mối hàn 1G, 2G, 3G rất
lớn, do vậy tác giả tập trung nghiên cứu việc ứng dụng robot hàn di động khi thực
hiện các mối hàn 1G, 2G, 3G.
1.3.3.1. Cấu tạo

Hình 1-12: Mô hìnhrobot hàn di độngthực hiện mối hàn
0. Ray dẫn
1. Khâu 1
2. Khâu 2
3. Khâu 3
4. M hàn
5. Mối hàn

17


Ngoài ra còn có các thiết bị đi cùng của vớirobot hàn di động bao gồm:
* Tủ điều khiển trung tâm.
* Panel điều khiển.
* Hệ thống cấp dây tự động.
* Bộ nguồn hàn.
* Khí hàn.
* Cuộn dây hàn.
1.3.3.2. Nguyên lý làm việc.
Quá trình hàn sẽ được điều khiển tự động hoàn toàn bởi robot và bảng điều
khiển, sự kết hợp của các thiết bị trong hệ thống bao gồm các nhiệm vụ:
Ray dẫn (0)giúp cho robot chuyển động d c theo hướng cần hàn
Khâu ( 1) có gắn bánh xe tịnh tiến trên ray theo hướng d c trục mối hàn. Khâu (2)
được điều khiển bởi động cơ servogiúp cho tay hàn di chuyển tịnh tiến ngang đến

vị trí mối hàn.Khâu (3) được điều khiển bởi động cơ servo gi p cho m hàn (4) di
chuyển tịnh tiến lên xuống mối hàn (5) để duy trì hồ quang hàn cháy ổn định.
Hệ thống cấp dây tự động cho robot thực hiện nhiệm vụ cấp dây hàn từ cuộn
dây qua hệ thống puli đẩy và puli dẫn hướng của chuyển động của động cơ điều
khiển vô cấp sẽ cung cấp dây hàn cho quá trình hàn.Tủ điều khiển trung tâm thực
hiện điều khiển tất cả các chuyển động của quá trình hàn qua việc nhận lệnh trực
tiếp từ panel điều khiển hay thông qua máy tính trung tâm.Panel điều khiển thực
hiện nhiệm vụ nhận lệnh trực tiếp từ người điểu khiển robot thực hiện quá trình hàn.
Khí hàn thực hiện nhiệm vụ cấp khí bảo vệ cho mối hàn trong toàn bộ quá
trình được điều khiển tự động qua rơle khí.Cuộn dây hàn thực hiện nhiệm vụ cấp
dây hàn cho hệ thống cấp dây hàn cho robot.
KẾT LUẬN CHƢƠNG I
Chương 1 tác giả muốn giới thiệu sơ lược về hàn hồ quang tay, hàn hồ quang
tự động, cấu tr c của robot hàn hồ quang và ứng dụng của robot trong hàn hồ
quang tự động.

18


CHƢƠNG II
HÀN HỒ QUANG BẰNG ROBOT HÀN DI ĐỘNG CÁC MỐI HÀN CÓ BI N
DẠNG ĐƢỜNG THẲNG
2.1 Hàn vỏ tàu thủy các mối hàn 1G
2.1.1. Mối hàn 1G

Hình 2-1: Mô hìnhcơ học robot hàn di động hàn mối hàn 1G
Trong công nghệ chế tạo v tàu thủy mối hàn 1G được ứng dụng hàn nối các
chi tiết phẳng ở sàn tàu và đáy tàu thủy. Các chi tiết có đường hàn dài và vừa khi
thực hiện bằng phương pháp hàn hồ quang tay thì hiệu quả không cao, chất lượng
mối hàn thường hay bị khuyết tật. Do vậy để nâng cao chất lượng mối hàn người ta

thường sử dụng robot hàn di động để thực hiện các đường hàn này. Khi thực hiện
hàn bằng robot hàn di động mối hàn sẻ đảm bảo được chất lượng và tính thẩm mỹ
cao , năng suất hơn hẳn so với hàn hồ quang tay. Thế nên ngày nay ở các xưởng
đóng tàu robot hàn di động được ứng dụng rất nhiều.
Ở hình 2-1 ta mô ph ng quá trình hàn v tàu thủy bằng robot hàn di động
mối hàn 1G theo đường thẳng. Ở đây 2 chi tiết A và B thể hiện cho 2 tấm ghép của
mặt sàn tàu được nối với nhau bởi mối hàn (5). Ray dẫn (0) đặt song song với
đường hàn sao cho mối hàn nằm trong phạm vi hoạt động của tay Robot hàn sau
19