Nghiên cứu, điều khiển robot hàn di động trong chế tạo vỏ tàu thủy
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.01 MB, 75 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN VIỆT TIẾN
NGHIÊN CỨU, ĐIỀU KHIỂN ROBOT HÀN DI ĐỘNG
TRONG CHẾ TẠO VỎ TÀU THỦY
Chuyên ngành :
Cơ điện tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CƠ ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. TRẦN ĐỨC TRUNG
Hà Nội – Năm 2011
1
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA.....................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................6
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................8
CHƯƠNG 1 .............................................................................................................10
TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TRONG NGÀNH ĐÓNG TÀU ....................10
1.1 Tổng quan về robot hàn ...............................................................................10
1.1.1 Ứng dụng robot trong lĩnh vực hàn .....................................................10
1.1.2 Các hình thức hàn và dạng điều khiển của robot...............................11
1.1.3 Đặc tính kỹ thuật robot hàn và thông số đường hàn .........................12
1.2 Giới thiệu về robot hàn đường trong công nghiệp đóng tàu ....................13
1.2.1 Robot hàn tự hành bán tự động chạy trên ray dẫn............................13
1.2.2 Robot hàn tự hành tự động hoàn toàn chạy trên ray dẫn. ................14
1.2.3 Robot hàn tự hành kiểu dạy học chạy trên ray dẫn...........................17
CHƯƠNG 2 .............................................................................................................19
XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT ...............................................19
2.1. Thiết kế kết cấu ............................................................................................19
2.1.1. Ray trượt ...............................................................................................19
2.1.2. Kết cấu...................................................................................................20
2.1.3. Tính chọn sơ bộ công suất động cơ trục đứng ...................................21
2.1.4. Tính chọn sơ bộ động cơ 2 trục ngang................................................22
2.1.5. Thiết kế cơ cấu nhận dạng quỹ đạo hàn tự động dùng cảm biến
khoảng cách.....................................................................................................22
2.2. Bài toán động học.........................................................................................24
2.2.1. Cấu trúc động học robot ......................................................................24
2.2.2. Bài toán động học thuận ......................................................................26
2.2.3. Bài toán động học ngược......................................................................27
2.3. Bài toán động lực học ..................................................................................30
2
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
2.3.1. Cơ sở lý thuyết ......................................................................................30
2.3.1.1. Biểu thức động năng ....................................................................30
2.3.1.2. Biểu thức thế năng .......................................................................32
2.3.1.3. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ bằng
phương pháp Lagrange loại hai................................................................32
2.3.2. Bài toán động lực học ...........................................................................33
2.3.2.1. Bài toán động lực học thuận.........................................................33
2.3.2.2. Bài toán động lực học ngược ........................................................33
2.3.3. Tính động năng của máy......................................................................34
2.3.4. Tính thế năng của robot.......................................................................37
2.3.5. Lập phương trình vi phân động lực học và giải bài toán động lực
học của robot...................................................................................................37
2.3.6. Động lực học robot ...............................................................................39
CHƯƠNG 3 .............................................................................................................44
XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT ................................44
3.1. Sử dụng cảm biến khoảng cách laser tìm profile mặt cắt ngang đường
hàn ........................................................................................................................44
3.1.1. Giới thiệu cảm biến khoảng cách dùng tia laser ...............................44
3.1.2. Phương pháp tạo các profile cắt ngang đường hàn ..........................45
3.2. Số hóa tín hiệu thu được và lọc nhiễu ........................................................47
3.3. Tìm ma trận điểm chốt................................................................................49
CHƯƠNG 4 .............................................................................................................51
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT .....................................................51
4.1. Thiết kế bộ điều khiển động cơ bước độ chính xác cao............................51
4.4.1. Cơ bản về động cơ bước.......................................................................51
4.1.2. Các phương pháp điều khiển động cơ bước ......................................55
4.1.2.1. Phương pháp băm xung duy trì tần số không đổi......................56
4.1.2.2. Phương pháp băm xung duy trì thời gian nghỉ Toff không đổi .63
4.1.2.3. Phương pháp băm xung tần số tự do ..........................................63
3
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
4.1.3. Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước.............................................64
4.1.3.1. Giới thiệu IC điều khiển động cơ bước chuyên dụng A3896 ....64
4.1.3.2. Mạch điều khiển động cơ bước thực tế .......................................68
4.2. Thiết kế bộ điều trung tâm .........................................................................70
4.2.1. Vi điều khiển DsPic 30F4011 ...............................................................70
4.2.2. Thiết kế mạch điều khiển.....................................................................71
KẾT LUẬN ..............................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................75
4
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn đề tài: “ Nghiên cứu, điều khiển robot hàn di
động trong chế tạo vỏ tàu thủy ” do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo PGS.TS. Trần Đức Trung. Các số liệu và kết quả hoàn toàn trung thực.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối sách tôi đảm bảo rằng không sao
chép các công trình của người khác. Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam
đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học viên thực hiện
Trần Việt Tiến
5
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 – Máy hàn bán tự động...............................................................................14
Hình 1.2 – Robot hàn tự động dò quỹ đạo hàn chuyên dụng....................................16
Hình 1.3 – Cấu trúc hệ thống nhận dạng và sử lý quỹ đạo đường hàn dùng cảm biến
khoảng cách laser và camera CMOS ........................................................................17
Hình 1.4 – Một loại robot hàn tự động chế tạo trong nước ......................................18
Hình 2.1 – Ray trượt .................................................................................................20
Hình 2.2 – Kết cấu tổng quan ...................................................................................21
Hình 2.3 – Sơ đồ cơ cấu nhận dạng quỹ đạo.............................................................23
Hình 2.4 – Cấu trúc động học ...................................................................................24
Hình 2.5 Quỹ đạo chuyển động của mũi súng hàn ...................................................27
Hình 2.6: Đồ thị vận tốc và gia tốc các khâu trong bài toán động học thuận ...........30
Hình 2.7: Mô hình cơ hệ có n bậc tự do....................................................................31
Hình 2.8: Đồ thị lực tại các khâu trong bài toán động lực học ngược ......................41
Hình 2.9: Đồ thị vận tốc và gia tốc các khâu trong bài toán động học ngược cho
chuyển động thẳng ....................................................................................................43
Hình 3.1: Cảm biến khoảng cách laser CP24MHT80...............................................44
Hình 3.2: Sử dụng cảm biến laser tìm profile biên dạng hàn....................................46
Hình 3.3: Tập hợp điểm thu được sau quá trình quét bề mặt vật hàn bằng cảm biến
khoảng cách...............................................................................................................46
Hình 3.4: Tín hiệu thu được khi chưa lọc .................................................................47
Hình 3.5: Tín hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc thông thấp điện tử ..........................48
Hình 3.6: Tín hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc số....................................................48
Hình 3.7: Tín hiệu thu được khi lọc qua bộ lọc số....................................................50
Hình 4.1: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu...............................................52
Hình 4.2: Cấu tạo động cơ bước từ trở thay đổi .......................................................53
Hình 4.3: Cấu tạo động cơ bước rạng stator nhiều tầng ...........................................54
Hình 4.4: Đồ thị dòng điện trong các phương pháp điều khiển động cơ bước.........56
Hình 4.5: Phương pháp băm xung tần số không đổi.................................................57
6
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
Hình 4.6: Dòng điện trong phương pháp điều khiển bằng chopper xung.................58
Hình 4.7: Dạng sóng trong chế độ băm xung pha và inhibit băm xung ...................59
Hình 4.8: Phương pháp hạn chế nhiễu ảnh hưởng đến thời gian mở các bán dẫn
công suất....................................................................................................................60
Hình 4.9: Hiện tượng mất dòng đồng bộ ..................................................................62
Hình 4.10: Phương pháp băm xung thời gian off không đổi ....................................63
Hình 4.11: Phương pháp băm xung tần số tự do.......................................................64
Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý tổng quát bộ điều khiển dùng IC A3986......................65
Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý IC A3986 .....................................................................66
Hình 4.14: Các mức dòng điện trong chế độ vi bước 1/16 .......................................67
Hình 4.15: Mạch nguyên lý thiết kế cho một động cơ bước.....................................68
Hình 4.16: Mạch layout.............................................................................................68
Hình 4.17: Mạch hoàn chỉnh thiết kế cho 3 động cơ bước – có thể chạy độc lập kết
nối máy tính hoặc thông qua mạch điều khiển trung tâm .........................................69
Hình 4.18: Dạng sóng dòng điện pha trong chế độ vi bước 1/16 trên oscilocope...69
Hình 4.19: Sơ đồ chân chip DsPic30F4011 dạng Dip .............................................71
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm ..........................................72
Hình 4.21: Sơ đồ layout mạch điều khiển trung tâm ................................................73
7
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
MỞ ĐẦU
Lịch sử phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu gắn liền với lịch sử phát triển
của công nghệ hàn. Từ những năm cuối bốn mươi, các phương pháp hàn trong khí
bảo vệ được nghiên cứu và đưa vào sản xuất. Hàn trong khí 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 tại các nhà máy đóng tàu với những ưu điểm về chất lượng mối hàn và
đặc biệt là khả năng sử dụng dễ dàng ở nhiều tư thế hàn khác nhau.
Tuy nhiên cho đến khi robot được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong ngành
hàn nói chung và công nghiệp đóng tàu nói riêng thì các thao tác hàn chủ yếu được
thực hiện bởi con người và các máy bán tự động đơn giản. Trong khi đó một thực tế
là môi trường làm việc của các thợ hàn là rất khắc nghiệt: luôn phải tiếp xúc với ánh
sáng hồ quang giàu tử ngoại ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, địa điểm làm việc cũng
rất nguy hiểm khi họ luôn phải treo mình trên các cần trục để hàn phần mạn tàu rất
cao và chênh vênh, thêm vào đó chất lượng các mối hàn không được đồng đều do
yếu tố con người và để tuyển dụng được một đỗi ngũ thợ hàn bậc cao không phải là
dễ. Lúc này, các máy hàn bán tự động ra đời với mục đích giảm gánh nặng cho con
người, nâng cao năng suất và chất lượng mối hàn. Tuy nhiên phần lớn các máy hàn
bán tự động vẫn còn thô sơ và vẫn phải mất nhiều công lao động do việc hạn chế
trong kết cấu cũng như điều khiển nên đa phần chúng họat động theo phương pháp
dạy – học. Chính vì vậy năng suất đóng mới và sửa chữa không thể cao như mong
muốn cũng như chất lượng gia công không được thật sự đảm bảo. Bên cạnh đó nhu
cầu đóng mới các tàu lớn và siêu lớn ngày càng tăng cao trên thế giới điều này đòi
hỏi một năng lực sản xuất rất lớn cũng như các tiêu chuẩn kèm theo rất khắt khe.
Nhận thấy điều này các công ty tại các nước có ngành đóng tàu phát triển mạnh
trên thế giới đã nhanh chóng áp dụng công nghệ robot vào lĩnh vực đóng tàu đặc
biệt là sử dụng trong công nghệ hàn vỏ tàu với ưu điểm vượt trội do tính linh hoạt
trong công nghệ gia công nên các robot hàn chuyên dụng cũng như đa năng trong
ngành đóng tàu đã xuất hiện rất nhiều và đang ngày một nâng cao năng suất của
ngành. Nước ta cũng là một nước đóng tàu ( chủ yếu là vỏ tàu ) có tiếng tại khu vực
8
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
nên vấn đề ứng dụng robot hàn trong ngành càng trở nên bức thiết hơn bao giờ hết.
Tuy nhiên, hiện tại chi phí của các robot hàn chuyên dụng cũng như đa năng còn rất
cao nên chủ yếu các nhà máy hay công ty đóng tàu lớn mới có khả năng tiếp cận
được những thiết bị tiên tiến này. Chính vì vậy nhu cầu về một loại robot hàn cho
ngành đóng tàu với giá thành hợp lý và đáp ứng được yêu cầu gia công của ngành
thật sự là một vấn đề thời sự cần giải quyết.
Từ những phân tích trên cộng với những kiến thức chuyên ngành cơ điện tử có
được tác giả đã chọn đề tài cho luận văn thạc sỹ là: “ nghiên cứu, điều khiển robot
hàn di động trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy ”. Mục tiêu của đề tài là nghiên
cứu thiết kế và xây dựng chiến lược điều khiển cho một robot hàn di động dạng tự
hành chuyên dùng cho các mối hàn đứng ở mạn tàu nơi thường rất khó thao tác với
các thợ hàn cũng như các máy hàn bán tự động, hoặc các mối hàn ngang với chiều
dài lớn và mối ghép không đồng đều trên boong tàu.
Đề cương gồm những nội dung sau:
Chương 1
: Tổng quan về robot hàn trong công nghệ chế tạo vỏ tàu thủy
Chương 2
: Xây dựng phương án thiết kế robot
Chương 3
: Xây dựng quỹ đạo chuyển động cho robot
Chương 4
: Thiết kế bộ điều khiển robot
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS. Trần
Đức Trung, viện Cơ khí – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn giúp
đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Do thời gian ngắn và năng lực bản thân còn hạn chế
nên kết quả của tôi chắc chắn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự đóng
góp ý kiến của các thầy cô giáo.
9
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TRONG NGÀNH
ĐÓNG TÀU
1.1 Tổng quan về robot hàn
1.1.1 Ứng dụng robot trong lĩnh vực hàn
Trong công nghiệp các nguyên công hàn ứng dụng robot rất phổ biến trong các
ngành công nghiệp như ôtô – xe máy, máy bay, đóng tàu biển, các ngành công
nghiệp liên quan đến vận tải đường ống như dầu khí, hóa chất…
Sản phẩm phù hợp nhất để ứng dụng robot hàn thường hội tụ các đặc điểm:
-
Độ phức tạp về mặt tạo hình;
-
Tính chính xác và chính xác lặp lại cao;
-
Các họ chi tiết có mặt offset;
-
Sản phẩm loạt lớn, hàng khối;
-
Các sản phẩm có khuynh hướng không mô tả tạo hình bằng bản vẽ truyền
thống, tạo hình thông qua liên kết CAD/CAM, mô tả hình học bằng file NC
code thông qua nội suy trên mô hình toán;
-
Các sản phẩm gia công trong môi trường nóng, ẩm, độc hại, áp suất cao;
-
Các sản phẩm yêu cầu tính thẩm mỹ.
Do giá thành nhân công và yêu cầu về tính đồng đều của sản phẩm ngày càng
tăng, các tập đoàn công nghiệp lớn trên thế giới như ford, Toyota, Honda, Boeng
ngày càng ứng dụng nhiều robot trong dây chuyền sản xuất của họ. Các sản phẩm
có yêu cầu về thẩm mỹ, các sản phẩm yêu cầu về thủy khí động học bề mặt trong
gia công như mui xe hơi, yếm xe máy, các sản phẩm có khuynh hướng thay đổi theo
thời trang cần thay đổi mẫu mã thường xuyên là những dạng sản phẩm có yêu cầu
ứng dụng robot cao nhất.
Cùng với nhu cầu về sử dụng robot hàn ngày càng tăng cao, các tập đoàn lớn sản
xuất và cung cấp robot cho thị trường ngày càng nhiều, nổi bật nhất có thể kể đến
Panasonic, Kuka, Motoman, Kawaskaki, Fanuc…
10
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
Các tiến bộ trong kỹ thuật Cơ – điện tử làm cho robot nói chung và robot hàn nói
riêng ngày càng linh hoạt và thân thiện hơn với người sử dụng. Nếu như các robot
phục vụ lắp ráp đòi hỏi thao tác chính xác để thực hiện các lắp ghép có khe hở nhỏ,
các robot tự hành đòi hỏi các thuật toán điều khiển bám, cấu trúc điều khiển của
robot hàn thường có tính tùy chọn “mở” cao hơn.
Do yêu cầu điều khiển thời gian thực, việc giải bài toán động học ngược online
có thể yêu cầu một cụm điện toán đắt tiền khi ứng dụng điều khiển contour liên tục
trên đường hàn.
Việc phổ biến robot hàn được đảm bảo trên cơ sở trang bị thêm một cổng RS232
giải quyết các bài toán có độ phức tạp cao để giảm đầu tư ban đầu, một robot
nguyên thủy thường chỉ có khả năng nội suy tuyến tính , nội suy cung tròn hoặc tổ
hợp đường zichzăc có các phân đoạn thẳng và cung tròn.
Trong trường hợp sử dụng lao động trình độ thấp hoặc các nguyên công yêu
cầu độ chính xác không cao, kỹ thuật dạy học teach – in cho phép vận hành thiết bị
hoàn hảo.
1.1.2 Các hình thức hàn và dạng điều khiển của robot
Trong công nghiệp có nhiều hình thức hàn như trên quan điểm điều khiển có thể
kể hai loại:
-
Hàn điểm;
-
Hàn đường;
Trong hình thức hàn điểm, mỏ hàn được di chuyển tới các điểm có tọa độ định
sẵn, dạng điều khiển tương ứng có tên gọi pick and place, ở hình thức này người ta
không quan tâm đến quỹ đạo di chuyển của mỏ hàn giữa hai điểm đầu – cuối.
Trong hình thức hàn đường liên tục có thể gặp các tình huống như quỹ đạo thẳng
hoặc dạng cung tròn có khả năng lập trình trực tiếp qua giao diện người – máy trên
thiết bị do robot có khả năng nội suy hai quỹ đạo này.
Khi gặp các quỹ đạo phức tạp như đường Ellip, hypebol, parabol, các đa thức bậc
cao hoặc các đường cong dưới dạng giao tuyến của các mặt không gian phức tạp,
máy không có khả năng nội suy các dạng quỹ đạo này. Lúc này người sử dụng cần
11
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
căn cứ vào độ chính xác của mối ghép quyết định khả năng dạy học (trường hợp
không yêu cầu chính xác cao, đa số mối ghép hàn cho phép dạy học) hoặc giải bài
toán bên ngoài và thông qua liên kết ngoại vi từ cổng RS232 truyền file NC code
cho máy thực hiện chương trình. Nếu thống nhất về ngôn ngữ cổng này cho phép
robot hàn hoạt động như một cell độc lập hoàn chỉnh trong đường dây gia công tự
động thông qua liên kết CAD/CAM như các tế bào tự động linh hoạt khác của
đường dây.
Không giống như các robot vạn năng khác, robot hàn còn có một trục không tính
vào bậc tự do dùng cấp dây hàn, hoặc que hàn, trục này đảm bảo khi dây hoặc que
hàn nóng chảy điểm quản lí là điểm có tổng tầm với không đổi tính đến giá của cơ
cấu.
Trong mô đun điều khiển của robot ngoài chức năng đảm bảo nguồn cho các
động cơ servo, có một mô đun có chức năng đảm bảo nguồn cho quá trình tạo hồ
quang khi hàn. Ngoài chức năng này một robot hàn thường không khác biệt nhiều
với các robot vạn năng khác.
1.1.3 Đặc tính kỹ thuật robot hàn và thông số đường hàn
Như các thiết bị công nghệ khác, đặc tính kỹ thuật của robot hàn là thông số quan
trọng để lựa chọn, khai thác và vận hành thiết bị.
Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp các thông tin cơ bản trong cataloug theo
máy gồm:
- Bậc tự do;
- Hình dáng và kích thước vùng làm việc (Front view, top view);
- Sơ đồ động học;
- Kích thước bao gói, khối lượng tĩnh;
- Tầm với max, min;
- Tải trọng danh nghĩa và lớn nhất;
- Độ chính xác, độ chính xác lặp lại;
- Tốc độ di chuyển cực đại theo các phương của hệ quy chiếu cơ sở;
- Giới hạn chuyển động của từng khớp trên cánh tay;
12
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
- Hiệu điện thế không tải;
- Hệ điều hành (Xuất xứ);
- Khả năng kết nối thiết bị ngoại vi.
Kỹ sư công nghệ hàn là người sử dụng robot cần quyết định chế độ công nghệ
gồm các thông tin sau để điều chỉnh máy:
- Vh : Tốc độ hàn;
- Kp : Hệ số đắp;
- Ih : Cường độ dòng hàn;
- ψ : Hệ số tổn thất que hàn;
- Fht : Lượng kim loại hòa tan tạo mặt cắt ngang đường hàn;
- γ : Tỉ khối kim loại hàn;
- Ih : Cường độ dòng hàn;
- Tốc độ chạy dây;
- Vận tốc di chuyển mỏ hàn;
- Lưu lượng khí bảo vệ;
- Khoảng cách từ mỏ hàn đến bề mặt gia công.
Người sử dụng robot hàn cần hiểu biết chuyên sâu về cả hai lĩnh vực trên để có
hiệu quả thao tác tối ưu.
1.2 Giới thiệu về robot hàn đường trong công nghiệp đóng tàu
Trong công nghiệp nói chung và trong ngành đóng tàu nói riêng nhu cầu về hàn
ráp nối các chi tiết theo đường là rất lớn. Hàn đường thường được thực hiện bằng
tay bởi các công nhân lành nghề do các mối hàn này đòi hỏi chất lượng cao và đồng
đều trên toàn đường hàn. Tuy nhiên năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt
mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn của con người với môi trường
khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn. Chính vì vậy các loại
robot hàn đường được sử dụng khá rộng rãi hiện nay. Tiêu biểu có một số loại như
sau:
1.2.1 Robot hàn tự hành bán tự động chạy trên ray dẫn.
13
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
Đây là loại robot phổ biến nhất dùng hàn các đường thẳng thường để ghép các
mối hàn trên boong tàu, hay ráp mối đáy tàu và giữa các block trong công nghệ
đóng tàu theo block ( đóng tàu lớn và siêu lớn ). Loại robot này có ưu điểm là kết
cấu hết sức đơn giản với ray dẫn hướng được lắp đặt dọc theo đường hàn, và súng
hàn gắn tùy động trên một bộ đỡ, kết hợp với nguồn hàn. Tuy nhiên chính vì sự đơn
giản trong kết cấu ấy nên việc thiết lập cho hệ thống làm việc chuẩn xác mất rất
nhiều công sức, và yêu cầu người công nhân phải thực hiện nhiều thao tác. Với loại
“rùa hàn” ( tên gọi của loại robto đơn giản nhất ) chạy trên ray dẫn, người công
nhân phải thao tác căn chỉnh sao cho đường ray song song với đường hàn ở mức tốt
nhất có thể và robot chỉ thực hiện mối hàn dọc theo ray dẫn, do đó dẫn đến giảm
năng suất và chất lượng mối hàn không đồng đều, và với các đường hàn có quỹ đạo
không thật thẳng, hoặc không thẳng thì không thao tác được hoặc phải có các bộ ray
chuyên dụng . Nhưng do ưu điểm giá thành rẻ và kết cấu đơn giản nên dễ dàng sửa
chữa thay thế nên thường được sử dụng trong các xưởng đóng các tàu cỡ tàu nhỏ,
và vừa.
Hình 1.1 – Máy hàn bán tự động
1.2.2 Robot hàn tự hành tự động hoàn toàn chạy trên ray dẫn.
14
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
Đây là loại robot hiện đại và tiện dụng nhất trong lĩnh vực chế tạo vỏ tàu. Loại
này thường có hai dạng: dạng chuyên dụng và dạng đa năng. Dạng đa năng là sự
tích hợp của các robot công nghiệp phổ biến hiện nay ( các robot hàn ) lên các thanh
ray trượt dẫn hướng và thiết kế lại các giải thuật điều khiển sao cho hơp hý. Dạng
này có ưu điểm chủ yếu đó là độ linh động rất cao do các robot hàn gốc đều có
nhiều bậc tự do ( năm đến sáu bậc ) do đó mang lại độ chính xác và chất lượng cao
cho các mối hàn đường với quỹ đạo bất kỳ bất kỳ và phức tạp. Thêm vào đó chúng
tự động nhận dạng được quỹ đạo và bám theo nên quá trình thiết lập hệ thống k mất
nhiều công sức chỉnh hướng ray trượt do đó việc tự động hóa trở nên rất dễ dàng và
cho năng suất cao. Tuy nhiên việc điều khiển lại rất phức tạp đòi hỏi người có
chuyên môn cao. Cộng thêm giá thành rất đắt nên loại robot này chủ yếu được dùng
trong các xưởng đóng tàu lớn ở các nước có ngành đóng tàu phát triển.
Dạng thứ hai trong loại này là các robot hàn chuyên dụng chúng thường được
dùng cho một vài công đoạn, VD robot hàn đường trên mạn tàu, boong tàu. Robot
hàn ống tròn v.v… Loại này cũng có ưu điểm như loại trên, chúng tự nhận dạng quỹ
đạo nên việc lắp đặt rất dễ dàng không đòi hỏi căn chỉnh nhiều nên nâng cao được
năng suất và chất lượng mối hàn. Tuy nhiên chúng có độ linh động kém hơn do
thiết kế theo một mục đích, thường có hai đến ba bậc tư do, đổi lại chúng có độ
phức tạp trong điều khiển không bằng loại nói trên và giá thành cũng rẻ hơn một
chút.
15
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
Hình 1.2 – Robot hàn tự động dò quỹ đạo hàn chuyên dụng
Nhóm robot thuộc loại này có một ưu điểm nổi bật chung là tính năng nhận dạng
quỹ đạo tự động có được do chúng sử dụng một hệ thống cảm biến phức tạp thường
là cảm biến laser và camera để sử lý và phân tích ảnh thu được từ đó đưa ra quỹ đạo
thật cần di chuyển để hoàn thành mối hàn. Chúng còn có thêm nhiều chức năng
như: phân tích tự động biên dạng mối hàn để tính toán các thông số cần thiết của
mối hàn, như: số lớp hàn, tốc độ hàn, tốc độ ra dây…Đồng thời chúng còn kiểm tra
sơ bộ được chất lượng mối hàn qua hình ảnh bên ngoài của chúng ( bước kiểm tra
chi tiết bằng siêu âm được thực hiện sau, và chủ yếu tại những điểm nghi ngờ do
biến dạng khác thường so với kích thức chuẩn của mối hàn ). Chính vì hệ thống
phức tạp trên nên giá thành của chúng rất cao.
16
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
Hình 1.3 – Cấu trúc hệ thống nhận dạng và sử lý quỹ đạo đường hàn dùng cảm
biến khoảng cách laser và camera CMOS
1.2.3 Robot hàn tự hành kiểu dạy học chạy trên ray dẫn.
Dạng robot này là một dạng đơn giản của dạng thứ hai vừa kể trên. Chúng có
cấu trúc cơ khí gần như tương đương với loại trên nhưng phần điều khiển được tinh
giảm đi để hạn chế sự phức tạp cũng như giá thành. Cụ thể, loại robot này hoạt
động theo hình thức dạy – học, với ưu điểm là khá dễ dàng trong thao tác lắp đặt
cũng như vận hành cho người công nhân và mối hàn cũng đạt chất lượng khá cao so
với dạng bán tự động cơ bản. Người công nhân lắp đặt không mất quá nhiều thời
gian cho việc căn chỉnh ray hướng thay vào đó họ phải để robot ở chế độ “dạy” và
đưa robot di chuyển bám theo đường hàn, quỹ đạo sau đó sẽ được lưu lại trong bộ
nhớ của robot và khi chuyển chế độ “học” nó sẽ di chuyển theo đúng những j đã
được “dạy”. Loại này tuy có ưu điểm về sự đơn giản trong lắp đặt và chất lượng
mối hàn khá tốt nhưng vẫn tốn nhiều thời gian thiết lập ban đầu và không kiểm tra
17
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
sơ bộ được mối hàn khi đã thi công xong. Loại robot này trong nước đã sản xuất
được và đang từng bước hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu của ngành đóng tàu.
Hình 1.4 – Một loại robot hàn tự động chế tạo trong nước
Kết luận chương 1
Từ những thông tin đã nêu trong chương 1 ta có thể thấy tầm quan trọng của
robot hàn trong ngành đóng tàu nói riêng và các ngành công nghiệp khác nói chung.
Sự xuất hiện của chúng là một cuộc cách mạng lớn mang lại năng xuất và chất
lượng cao hơn rất nhiều cho ngành. Tuy nhiên việc áp dụng ở nước ta hiện nay còn
gặp nhiều khó khăn phần lớn do trở ngại về giá thành cũng như sự phức tạp trong
điều khiển. Trong nước hiện đã nghiên cứu và chế tạo thành công loại robot “dạyhọc” cho hiệu quả khá tốt và có tiềm năng thương mại hóa cao. Tuy nhiên, mức độ
tự động hóa của loại robot này chưa cao, nên cần có những nghiên cứu thêm để cải
tiến mức độ tự động, thông minh của robot mà vẫn đảm bảo giá thành của chúng
nằm trong ngưỡng phù hợp với điều kiện Việt Nam. Và trong luận văn này, tác giả
muốn đề xuất một giải pháp cho bài toán ấy.
18
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ROBOT
2.1. Thiết kế kết cấu
Robot hàn đường tự động được nghiên cứu thiết kế trong đề tài là loại robot hàn
chuyên dụng cho các đường hàn đứng ở mạn tàu hoặc trên boong tàu, nơi có những
đường hàn rất dài với độ dốc lớn, thường là thẳng đứng. Do đó robot loại này có
một số yêu cầu cơ bản trong kết cấu như:
-
Có ray dẫn hướng với nhiều đoạn tháo lắp thuận tiện giúp robot chuyển động
dọc đường hàn
-
Có trọng lượng tương đối nhẹ để hạn chế công suất động cơ kéo lên ( do
chúng thường chuyển động thẳng đứng từ dưới lên ) chính vì vậy kết cấu
phải tinh gọn chắc chắn.
-
Số bậc tự do phải đảm bảo tạo được sự linh hoạt cần thiết giúp robot dễ dàng
thao tác với những quỹ đạo hàn thay đổi.
-
Có module tạo quỹ đạo hàn công nghệ như tạo đường zic zack, đường xoắn
ốc v.v…,
2.1.1. Ray trượt
Do robot chạy trên phần lớn chiều dài day trượt nên chúng rất dài do đó phải
chia thành các đoạn nhỏ lắp ghép với nhau, thường là 1 – 1,5m. Chúng có các chân
đỡ được gắn các khối nam châm có lực từ siêu mạnh ( nam châm đất hiếm ) để gắn
chặt với thành tàu giúp hệ thống ray đứng vững khi robot di chuyển qua nó. Robot
chạy trên ray sử dụng cơ cấu bánh răng thanh răng thuận tiện cho việc ghép nối các
đoạn ray.
Vật liệu, sử dụng nhôm kết cấu cường độ cao, chịu lực tốt ít biến dạng, với trọng
lượng thấp. Thanh răng được gắn với ray trượt bằng mối ghép vít, để tiện tháo lắp,
bảo dưỡng, thay thế. Thanh răng được chế tạo bằng thép tốt, bề mặt răng tôi cứng
và thấm nito để tăng độ bền mòn.
19
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
Hình 2.1 – Ray trượt
2.1.2. Kết cấu
Như đã phân tích đặc điểm robot loại này thường cần kết cấu tinh gọn chính vì
vậy số bậc tự do cần đủ để thực hiện tốt thao tác không cần quá nhiều gây phức tạp
kết cấu và thao tác sử dụng. Để đáp ứng yêu cầu đó robot chỉ cần ba bậc tự do
chính, ở đây là bậc tự do tịnh tiến. Ngoài ra robot còn có thêm một bậc tự do công
nghệ, bậc tự do này chỉ để thực hiện thao tác công nghệ nhằm đáp ứng yêu cầu mối
hàn và độc lập hoàn toàn với các bậc tự do khác. Thân robot được làm hoàn toàn
bằng nhôm kết cấu hợp kim cao nhằm giảm trọng lượng và đảm bảo độ bền vững
20
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
cần thiết. Ngoài trục chuyển động thẳng đứng lên trên sử dụng cơ cấu bánh răng
thanh răng, hai trục còn lại chuyển động đảo chiều liên tục nên ta sử dụng cơ cấu vít
me đai ốc bi nhằm giảm quán tính cơ cấu cũng như hạn chế khe hở của bộ truyền
nên hạn chế được va đập ( như ở cơ cấu bánh răng thanh răng ) gây mòn dẫn tới sai
số vị trí.
Hình 2.2 – Kết cấu tổng quan
2.1.3. Tính chọn sơ bộ công suất động cơ trục đứng
Từ thiết kế kết cấu như trên ta có thể tính toán sơ bộ trọng lượng robot bằng
phần mềm thiết kế 3D. Theo tính toán, khối lượng robot khoảng 20kg. Khi thao tác
hàn, robot di chuyển đều trừ thời điểm khởi động tăng tốc nhưng trong thời gian
ngắn không đáng kể. Chính vì vậy nó di chuyển không gia tốc, nên lực phát động
cân bằng với trọng lực của nó. Ta có biểu thức:
F = m.g
(2.1)
M = F.d/(2.Cosγ)
(2.2)
Trong đó
21
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
F:
Lực phát động cần để robot di chuyển lên trên được
m:
Khối lượng tổng của robot
g:
Gia tốc trọng trường
d:
Đường kính vòng lăn của bánh răng chủ động trên động cơ trục
thẳng đứng của robot.
γ:
Góc áp lực trên vòng chia
Thay vào ta được
M = 20.9,81.0.04/(2.Cos 200) = 3,12 (Nm)
(2.3)
Tính cho momem tổng: đoạn tăng tốc và hãm ngược yêu cầu momen cao hơn
quá trình chuyển động đều, ta tính hệ số an toàn khi chọn là 1,5. Vậy Momen tổng
cộng cần thiết đặt lên trục động cơ trục đứng là :
M = 3,12.1,5 = 4,68 (Nm)
Sử dụng hộp giảm tốc bánh răng một cấp tỉ số truyền 4 ta có momen trên trục
động cơ yêu cầu bằng ¼ momen trên đầu ra hộp giảm tốc. Vậy có momen động cơ
cần thiết là khoảng 1,2(Nm). Từ đó ta chọn động cơ bước có momen giữ nhỏ nhất
nhất bằng 1,2(Nm). Ta chọn động cơ bước Vexta 23 có momen giữ 2,15(Nm) tại
dòng điện định mức 2,5(A)/phase. Với điện áp 48V và tại vận tốc 240v/ph ( 4 v/s)
động cơ vẫn giữ được momen trên trục khoảng 1,5(Nm). Vậy vận tốc hàn tối đa là:
vhàn_max = vrb.d.3,14/4 = 7,53 (m/ph)
2.1.4. Tính chọn sơ bộ động cơ 2 trục ngang
Hai trục ngang của robot không chịu lực lớn do các trọng lực ở đây đều không
sinh công cản trở chuyển động, chỉ có quán tính nhưng cũng không lớn do kết cấu
hết sức nhỏ gọn và nhẹ. Ta chọn động cơ bước Nema 14 cho cả hai trục với bọ
truyền vít me đai ốc bi bước ren 10 mm.
2.1.5. Thiết kế cơ cấu nhận dạng quỹ đạo hàn tự động dùng cảm biến khoảng
cách
Như đã đề cập ở trên, cơ cấu nhận dạng quỹ đạo hàn tự động là một phần rất
quan trọng với các robot tự động hoàn toàn kiểu này. Nó mang lại rất nhiều lợi ích
22
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
so với các loại robot hàn thông dụng khác bởi không mất thời gian cũng như công
sức nhiều cho việc lắp đặt và vận hành. Với loại robot này người công nhân không
cần phải lắp đặt ray dẫn hướng một cách tỷ mỉ sao cho cách đều đường hàn hoặc
phải điều khiển robot chạy dọc theo quỹ đạo để nhận biết đường hàn nữa, mà chỉ
cần lắp đặt ray dẫn hướng một cách đơn giản và cài đặt các tham số ban đầu cho
robot và nó sẽ tự động làm những việc còn lại để hoàn thành mối hàn. Từ đó có thể
nâng cao khả năng tự động hóa, chất lượng cũng như năng suất lao động trong
ngành áp dụng nó. Tuy nhiên vấn đề đặt ra là giá thành khi các loại robot này
thường rất đắt bởi các bộ cảm biến đắt tiền cộng với camera và các động cơ servo.
Và công việc của luận văn là đưa ra một thiết kế hợp lý đề giải quyết bài toán trên.
Việc dùng các động cơ bước có kiểm soát hành trình với encoder cùng mạch
điều khiển tự thiết kế giúp giảm giá thành so với dùng động cơ servo nhập ngoại.
Các bộ điều khiển này sẽ trình bày trong chương sau. Còn việc nhận dạng quỹ đạo
tự động, luận văn đề xuất một phương án thay thế cho việc dùng camera và cảm
biến laser cùng hệ thống thấu kính phức tạp và đắt tiền đó là việc dùng một cảm
biến khoảng cách laser và quét liên tục trên đường hàn, thông tin biên dạng mối hàn
được số hóa qua mạch xử lý trung tâm rồi truyền dữ liệu số về máy tính, sử dụng
các thuật toán nội suy để tính toán quỹ đạo chuyển động của đầu hàn.
Hình 2.3 – Sơ đồ cơ cấu nhận dạng quỹ đạo
23
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
2.2. Bài toán động học
2.2.1. Cấu trúc động học robot
Đường hàn
Ray trượt
Y1
Y3
O2
d3
Y2
X1
O1
X3 Z 1
Z3
a2
d2
d1
Yo
O3
X2
Oo
Z2
Xo
Zo
Hình 2.4 – Cấu trúc động học
Xét về cấu trúc động học robot hàn loại này có dạng cấu trúc tọa độ vuông góc,
với 3 khớp tịnh tiến nối tiếp và một khớp quay ( lắc ) để thực hiện chuyển động
công nghệ của đường hàn. Khớp quay này hoạt động độc lập không phụ thuộc các
khớp còn lại nên không tính đến khi tính toán động học robot.
Chọn hệ tọa độ cơ sở O0X0Y0Z0 gắn vào ray trượt của robot. Gốc O0 tại điểm bắt
đầu khởi tạo đường hàn. Trục Y0 trùng với phương của ray trượt hướng lên trên. Hệ
trục tọa độ gắn với khâu một O1X1Y1Z1 được đặt tại khớp trượt của khâu một. Các
trục có chiều như trên hình 2.4. Hệ trục tọa độ gắn với khâu hai O2X2Y2Z2 được đặt
tại khớp trượt của khâu hai. Các trục có chiều như trên hình 2.4. Hệ trục tọa độ gắn
với khâu thao tác ( đầu hàn ) O3X3Y3Z3 được đặt tại trục khớp quay công nghệ.
Sử dụng phương pháp DENAVIT – HARTENBERG để tìm tọa độ khâu cuối
( súng hàn ) trong hệ tọa độ cố định gắn với ray trượt robot.
24
HVTH: Trần Việt Tiến
GVHD: PGS.TS. Trần Đức Trung
Bảng tham số DENAVIT – HARTENBERG
Khâu
θi
αi
ai
di
1
0
0
0
d1
2
0
0
a2
d2
3
0
0
0
d3
Các ma trận An có dạng:
⎡cθ n +1 − sθ n +1cα n +1 sθ n +1sα n +1 an +1cθ n +1 ⎤
⎢ sθ
cθ n +1cα n +1 − cθ n +1sα n +1 an +1sθ n +1 ⎥⎥
n +1
⎢
An =
⎢ 0
sα n +1
cα n +1
d n +1 ⎥
⎥
⎢
0
0
1 ⎦
⎣ 0
Để thực hiện phép biến đổi từ hệ tọa độ OX 0Y0 Z0 sang hệ OX1Y1Z1 ta thực hiện
hai phép biến đổi tịnh tiến dọc theo trục Y một khoảng d1 . Ta có ma trận A1 có
dạng:
⎡1
⎢0
A1 = ⎢
⎢0
⎢
⎣0
0 0 0⎤
1 0 d1 ⎥⎥
0 1 0⎥
⎥
0 0 1⎦
(2.4)
Để thực hiện phép biến đổi từ hệ tọa độ OX1Y1Z1 sang hệ hệ OX 2Y2 Z 2 ta thực hiện
hai phép biến đổi tịnh tiến dọc theo trục X một khoảng d 2 và theo trục Z một
khoảng a2 . Ma trận A2 có dạng:
⎡1
⎢0
A2 = ⎢
⎢0
⎢
⎣0
0 0 d2 ⎤
1 0 0 ⎥⎥
0 1 a2 ⎥
⎥
0 0 1⎦
(2.5)
Để thực hiện phép biến đổi từ hệ tọa độ OX 2Y2 Z2 sang hệ OX 3Y3Z3 ta thực hiện
một phép biến đổi tịnh tiến dọc theo trục Z một khoảng d 3 . Ta có ma trận A3 có
dạng:
25
