Điều khiển hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn​

BỘ GIÁO DỤC và ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

LÂM VĂN TIẾN

ĐIỀU KHIỂN
HỆ TAY MÁY VÀ ROBOT DI ĐỘNG
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ HÀN

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ : 60.52.50

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012


BỘ GIÁO DỤC và ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM
--------------------------------------

LÂM VĂN TIẾN

ĐIỀU KHIỂN
HỆ TAY MÁY VÀ ROBOT DI ĐỘNG
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ HÀN
LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ : 60.52.50
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƢƠNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học :

TS. NGUYỄN THANH PHƢƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS.TS BÙI XUÂN LÂM

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. ĐỒNG VĂN HƢỚNG

Luận văn Thạc sỹ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghệ Tp. HCM
ngày 14 tháng 7 năm 2012.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sỹ gồm:
1. TS. NGUYỄN HÙNG

Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS. BÙI XUÂN LÂM

Phản biện 1

3. TS. ĐỒNG VĂN HƢỚNG

Phản biện 2

4. TS. TRƢƠNG VIỆT ANH

Ủy viên

5. TS. HỒ VĂN HIẾN

Ủy viên Thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa .
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

TS. NGUYỄN HÙNG

Khoa quản lý chuyên ngành


TRƢỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 09 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ tên học viên: LÂM VĂN TIẾN

Giới tính: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 23/01/1976

Nơi sinh: TP.HCM.

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

MSHV:1081031051.

I.

TÊN ĐỀ TÀI.
Điều khiển hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn.

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG.

1. Nhiệm vụ của đề tài:
- Xây dựng mô hình toán cho hệ tay máy – Robot di động.
- Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ
đạo.
- Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab.
2. Nội dung của đề tài:
Nội dung luận văn gồm 3 phần:
Phần 1: Xây dựng mô hình động học cho hệ tay máy – robot di động, từ đó

nhận dạng các vấn đề cần giải quyết để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển.
Phần 2: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy- robot di động bám theo quỹ
đạo ứng dụng trong công nghệ hàn theo đƣờng thẳng trong mặt phẳng. Xây dựng
mô hình bằng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink.


Phần 3: Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink. Phân tích và nhận xét kết
quả mô phỏng.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 15 tháng 09 năm 2011.

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 15 tháng 06 năm 2012.
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:

Cán bộ hƣớng dẫn

TS. NGUYỄN THANH PHƢƠNG

TS. Nguyễn Thanh Phƣơng.

Khoa quản lý chuyên ngành


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “Điều khiển hệ tay máy và
robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn” là công trình nghiên cứu của riêng
tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Phương.

Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn
trích dẫn và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012
Ngƣời thực hiện luận văn

Lâm Văn Tiến


LỜI CẢM ƠN
May mắn thay, khi tôi được bước chân đến Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ
thành phố Hồ Chí Minh, nơi tôi đã được dìu dắt đến bến bờ tri thức bởi những
người Thầy, Cô, Anh, Chị với tấm lòng hy sinh, tận tụy và bao dung.
Xin cảm ơn trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh,
cùng quý Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho
lớp chúng tôi và cá nhân tôi trong suốt học trình Cao học.
Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Thanh
Phương_ những người Thầy đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt
thời gian thực hiện nghiên cứu này.
Cám ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng
trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hôm nay.
Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt
thời gian thực hiện nghiên cứu này.
Xin trân trọng và chân thành gửi lại tất cả nơi đây lòng tri ân sâu sắc nhất.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012
Ngƣời thực hiện luận văn

Lâm Văn Tiến


TÓM TẮT

Theo đà phát triển nhanh chóng của khoa học, Robot ngày càng đƣợc sử
dụng phổ biến hơn trong sản xuất cũng nhƣ trong đời sống của con ngƣời. Robot đã
chiếm một vị trí quan trọng khó có thể thay thế đƣợc, nó giúp con ngƣời làm việc
với năng suất cao và trong các điều kiện khó khăn, nguy hiểm… Lĩnh vực Robot di
động đang ngày càng chiếm đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã
hội. Từ thực tế đó, việc xây dựng các bộ điều khiển cho Robot di động đã trở nên
một yêu cầu thiết yếu. Bài toán trình bài một phƣơng pháp bám theo quỹ đạo kiểm
soát thích ứng cho robot hàn di động với mô hình động học , trong đó các thông số
chƣa biết. Với robot di động bao gồm một tay máy đặt trên một robot di động. Dựa
trên tiêu chuẩn ổn định của Hàm Lyapunov. Bộ điều khiển đƣợc thiết kế để đảm
bảo sự ổn định của toàn hệ thống khi điểm đầu hàn gắn cuối tay máy. Luận văn sử
dụng thiết kế là ƣớc tính thông số không rõ chiều. Kết quả mô phỏng và thực
nghiệm đƣợc trình bày cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển.


ABSTRACT
Nowaday, Robot is widely used in industry and human life. It has taken an
important part and hardly to be replaced, it helps human to increase the yield and to
work in dangerous or difficult conditions. The field of Moving-Robot has attracted a
lot of attention of researchers and societycontroller such that the system state
trajectories are forced toward the sliding surface and stay on it. From the fact of
that, designing the controllers of Moving-Robot has became an important problem.
An adaptive tracking control method for a welding mobile manipulator with a
kinematic model in which several unknown dimensional parameters exist. The
mobile manipulator consists of the manipulator mounts on a mobile-platform. Based
on the Lyapunov function, controllers are designed to guarantee stability of the
whole system when the end-effector of the manipulator performs a welding task.
The composition used update laws are also designed to estimate the unknown
dimensional parameters. The simulation and experimental results are presented to
show the effectiveness of the proposed controllers.

1

PHỤ LỤC
CHƢƠNG 1: Tổng quan

7

1.1. Nội dung luận văn.

7

1.1.1 Đặt vấn đề.

7

1.1.2. Những vấn đề đã đƣợc nghiên cứu

7

1.1.3. Mục đích của Đề tài:

8

1.1.4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu:

8

1.1.5. Kết quả dự kiến đạt đƣợc:

9

1.1.6. Nội dung của Luân văn:

9

1.2. Tổng quan về công nghệ hàn
1.2.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn.

10
10

1.2.1.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn trên thế giới.

10

1.2.1.2. Lịch sử phát triển của ngành hàn ở Việt Nam

11

1.2.2.Khái niệm chung về hàn

11

1.2.3 Lý thuyết về hàn tự động.

12

1.3. Tổng quan về robot hàn .

15

1.3.1. Lịch sử ra đời và phát triển.

15

1.3.2. Các thế hệ robot.

16

1.3.3. Robot di động.

17

1.3.4. Những xu hƣớng phát triển của robot hiện đại

20

1.3.5. Ứng dụng điển hình robot vào công nghệ hàn

20

CHƢƠNG 2: Lý thuyết và Mô hình toán học
2.1. Lý thuyết về phần cứng robot.
2.1.1 Các loại đế di chuyển:

25
25
25

2.1.1.1 Robot tự hành di chuyển bằng chân(Legged Robot)

25

2.1.1.2Robot tự hành di chuyển bằng bánh (Wheeled Robot).

26


2

2.2. Phƣơng trình của robot di động có bánh xe

29

2.2.1.Phƣơng trình giới hạn của robot di động có bánh xe.

29

2.2.2.Phƣơng trình động học của robot di động có bánh xe.

30

2.3. Mô hình toán cho tay máy

30

2.4. Mô hình toán cho hệ robot di động tay máy

32

CHƢƠNG 3: Thiết kế bộ điều khiển

35

3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho robot di động

35

3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ robot di động và tay máy

39

CHƢƠNG 4: Kết quả mô phỏng

44

4.1 Các kết quả mô phỏng

45

4.2 Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng

45

CHƢƠNG 5: Kết luận và hƣớng phát triển

52

5.1 Kết luận
5.2 Hƣớng phát triển
Phụ lục A

54

Phụ lục B

55


3

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Một số hình ảnh về robot di động

20

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

21

Hình 1.3 Hệ thống robot hàn đƣờng của hãng FANUC.

22

Hình 1.4 Đầu hàn có trang bị cảm biến dò tìm đƣờng đi bằng laser theo không gian
ba chiều.

24

Hình 2.1 Robot di chuyển bằng chân

25

Hình2.2 Ký hiệu của các loại bánh xe

26

Hình 2.3 Robot di chuyển bằng bánh

26

Hình 2.4 Cấu hình trung tâm của nền tảng di động và tay máy

29

Hình 2.5 Mô hình phát sinh phƣơng trình chuyển động của tay máy di động

32

Hình 3. 1 Mô hình phát sinh phƣơng trình sai số của tay máy.

35

Hình 3. 2 Mô hình phát sinh các phƣơng trình sai số của robot di động.

40

Hình 3. 3 Robot hàn mẫu

40

Hình 3.4 Sơ đồ phƣơng pháp ứng dụng

43

Hình 4.1 Cấu hình của robot di động bám theo đƣờng hàn

45

Hình 4.2 Theo dõi giá trị sai số e1, e2,e3 tại thời điểm bắt đầu

45

Hình 4.3 Theo dõi giá trị sai số e1,e2,e3

46

Hình 4.4 Theo dõi giá trị sai số e4,e5,e6 tại lúc ban đầu

46

Hình 4.5 Theo dõi giá trị sai số e4,e5,e6 trong quá trình hàn

47

Hình 4.6 Đƣờng đi của đầu hàn và sự bám theo đƣờng hàn tại thời điểm đầu

47

Hình 4.7 Vận tốc của một điểm trên đƣờng hàn và đầu hàn tại thời điểm đầu.

48

Hình 4.8 Giá trị góc của ba khớp nối

48

Hình 4.9 Vận tốc góc ba khớp nối của tay máy tại thời điểm ban đầu

49


4
Hình 4.10 Vận tóc góc ba khớp nối của tay máy

49

Hình 4.11 Vận tốc của robot di động

50

Hình 4.12 Vận tốc góc của hai bánh xe của robot di dộng

50

Hình. B-1: Đƣờng hàn cong trơn phẳng là đƣờng cong lồi

57

Hình. B-2: Đƣờng cong trơn phẳng là đƣờng cong lõm

57

Hình.B-3 Tay máy di động tại thời điểm đầu

58


5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Các cách bố trí bánh xe của Robot.

27.

Bảng 4.1 Thông số và giá trị ban đầu cho mô phỏng

44.


6

MỞ ĐẦU
Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu tự động hóa trong sản xuất,
trong đời sống, trong y tế, trong nghiên cứu khoa học, trong tìm kiếm cứu nạn,
trong trang bị của các lực lƣợng vũ trang... ngày một nâng cao. Xu hƣớng tạo ra
những dây chuyền, thiết bị tự động, những robot có tính linh hoạt cao đã hình thành
và không ngừng phát triển mạnh mẽ… Và vì thế nhu cầu ứng dụng robot tự động

linh hoạt để phục vụ các lĩnh vực nêu trên ngày càng tăng nhanh.
Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình đƣợc dùng để quan sát,
do thám, thu thập thông tin hay để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng
cụ, các vật phẩm... thông qua các truyền động đƣợc lập trình trƣớc hoặc đƣợc điều
khiển từ xa. Robot có thể thao tác nhƣ con ngƣời và có thể hợp tác với nhau một
cách thông minh... Thƣờng robot đƣợc sử dụng để thực hiện các công việc lặp đi lặp
lại, các công việc dễ gây nhàm chán, nó cho các kết quả chính xác, nhanh hơn, rẻ
hơn nếu đƣợc thực hiện bởi con ngƣời.
Các robot đã dƣợc sử dụng để phục vụ cho các máy móc công nghiệp ngay
từ khi kỹ thuật này ra đời. Mô hình robot đầu tiên ra đời vào năm 1960, năm 1961
robot công nghiệp (Industrial Robot: IR) ra đời. Càng ngày ngành robot càng phát
triển, nó đem lại những thay đổi quan trọng trong sản xuất, trong đời sống và trong
an ninh quốc phòng. Giá thành của robot đang giảm đi trong khi tính năng, sự đa
dạng của nó đƣợc gia tăng và công nghệ ngày càng dễ sử dụng.
Đặc biệt trong lãnh vực hàn, hàn công nghiệp nặng, thƣờng dễ sinh ra những
chất khí độc, nhiệt độ cao môi trƣờng khắc nghiệt và có những nơi, chỗ hàn (hốc,
mũi tàu ) con ngƣời khó vào thao tác đƣợc. Vì vậy mà robot hàn ngày càng đƣợc
ứng dụng nhiều hơn và đó cũng là mục đích của ý tƣởng của luận văn này.


7

Chƣơng 1

TỔNG QUAN

1.1. Nội Dung Luận Văn
1.1.1 Đặt vấn đề.
Ngày nay, các robot hàn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các tác vụ có tính chất
độc hại và nguy hiểm cho con ngƣời. Một tay máy phẳng gồm 3 thanh với đầu hàn

đƣợc gắn ở điểm cuối của tay máy với 3 bậc tự do là đủ để thực hiện quá trình hàn.
Tuy nhiên nếu tay máy đƣợc gắn cố định thì sẽ bị giới hạn không gian làm việc. Hệ
thống tay máy kết hợp với robot di động đƣợc tạo thành một hệ 5 bậc tự do đƣợc
đƣa ra để gia tăng không gian làm việc của hệ thống. Bởi vì quá trình hàn chỉ cần 3
bậc tự do, do đó hệ thống tay máy kết hợp với robot di động là hệ thống có số bậc
tự do dƣ thừa. Để giải quyết vấn đề dƣ thừa bậc tự do của hệ thống, 2 ràng buộc về
tốc độ dài và tốc độ góc của robot di động đƣợc kết hợp với tay máy di động. Điều
này có nghĩa rằng, robot di động không di chuyển một cách tự do mà di chuyển theo
một rằng buộc nhất định. Mục đích của 2 rằng buộc là để dịch chuyển tay máy về
cấu hình ban đầu của nó để loại bỏ những điểm kỳ dị trên đƣờng hàn.
1.1.2. Những vấn đề đã đƣợc nghiên cứu
Trong những năm gần đây, việc phân tích và điều khiển các robot đƣợc
nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu. Phần lớn phát triển là thuật toán điều khiển và
mô hình động hay sự kết hợp giữa mô hình động với mô hình động học. Fierro và
Lewis [5] đã phát triển luật điều khiển kết hợp động học/moment của robot di dộng
có bánh xe bằng cách phƣơng pháp lang truyền và ổn định tiệm cận theo lý thuyết
của Lyapunov. Yamamoto và Yun [6] đã phát triển thuật toán điều khiển cho tay
máy di động, vì tay máy luôn đƣợc định vị với cấu hình thuận tiện đƣợc đo bởi tay
máy của nó nhằm tránh rơi vào trạng thái suy biến( điểm kỳ dị). Seraji [2] đã phát
triển tọa độ phối hợp trực tuyến đơn giản để điều khiển tay máy di động và vấn đề
dƣ thừa đƣợc giải quyết bằng cách giới thiệu tập hợp của ngƣời sử dụng thiết lập
các công việc bổ sung trong suốt chuyển động của điểm cuối cùng của tay máy.
Ông định nghĩa hàm chi phí vô hƣớng và giảm thiểu để nó không có điểm kỳ dị suy
biến. Yo, Kim và Na [3] đã phát triển thuật toán điều khiển cho tay máy dựa trên


8
phƣơng trình chuyển động của Lagrange. Jeon, Kam, Park và Kim [7] áp dụng
robot di động hai bánh tự động hàn với ngọn đuốc hàn tự trƣợt theo đƣờng hàn. Họ
đề xuất tìm vết nối và bám theo vết hàn sự di chuyển của robot hàn di động cho kiểu

hàn lƣới. Fukao, Nakagawa và Adachi [4] phát triển một bộ điều khiển di chuyển
thích nghi cho mô hình động/động học với sự hiện diện của các thông số chƣa biết
nhƣng các thuật toán trong các bài báo của họ chỉ đƣợc áp dụng cho các robot di
động. Phan và những ngƣời khác [8] đã đề xuất phƣơng pháp điều khiển phân tán
cho tay máy – robot 5 bậc tự do với các thông số đã biết chính xác. Các phƣơng
pháp này thể hiện phƣơng pháp điều khiển thích nghi cho mô hình động học của tay
máy robot đã từng nghiên cứu chƣa hoàn chỉnh. Vì lý do này, thuật toán điều khiển
thích nghi cho mô hình động học của tay máy di động là mục tiêu nghiên cứu của
luận văn này. Nó đƣợc giả định rằng các thông số về kích thƣớc của tay máy di
động không đƣợc biết đến và bộ điều khiển ƣớc tính nó bằng cách sử dụng các luật
cập nhật ƣớc lƣợng. Chính vì lý do đó mà em đã tìm hiểu, phát triển, nghiên cứ ứng
dụng phƣơng pháp xây dụng robot hàn động bám theo đƣờng cong trong mặt phẳng
với tham số ƣớc lƣợng đã biết trong một robot di động có gắn tay máy hàn ba bật tự
do.
1.1.3. Mục đích của Đề tài:
Mục tiêu của luận văn là xây dựng hệ tay máy và robot di động ứng dụng
trong công nghệ hàn theo đƣờng trong mặt phẳng. Những mục tiêu của đề tài đƣợc đề
ra nhƣ sau:
−

Xây dựng mô hình toán cho hệ tay máy – Robot di động.

−

Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo.

−

Thiết kế bộ cảm biến đo các giá trị sai số.

−

Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab.

1.1.4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu:
Trên cơ sở tổng hộp tài liệu về công nghệ hàn, robot và các thuật toán điều


9
khiển cho robot để thực hiện các công việc nhƣ sau
- Xây dựng mô hình động học cho hệ tay máy – robot di động.
- Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo.
- Mô phỏng kiểm chứng hệ thống trên Matlab.
1.1.5. Kết quả dự kiến đạt đƣợc:
Hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo.
1.1.6. Nội dung của Luân văn:
CHƢƠNG 1: Tổng quan
1.1. Nội dung luận văn
1.2. Tổng quan về robot hàn
1.3. Tổng quan về công nghệ hàn
CHƢƠNG 2: Mô hình toán học
2.1. Lý thuyết về phần cứng robot
2.2. Mô hình toán cho robot di động
2.3. Mô hình toán cho tay máy
2.4. Mô hình toán cho hệ robot di động tay máy
CHƢƠNG 3: Thiết kế bộ điều khiển
3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho robot di động
3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ robot di động và tay máy
CHƢƠNG 4: Kết quả mô phỏng
4.1 Các kết quả mô phỏng

4.2 Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng
CHƢƠNG 5: Kết luận và hƣớng phát triển
5.1 Kết luận
5.2 Hƣớng phát triển


10
1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN.
1.2.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn
1.2.1.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn trên thế giới
-

Thời kỳ đồ đồng, đồ sắt loài ngƣời đã biết hàn kim loại.

-

Năm 1802 nhà bác học ngƣời Nga Pêtơrốp đã tìm ra hiện tƣợng hồ quang
điện.

-

Năm 1882 kỹ sƣ Bênađớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim
loại.

-

Năm 1886 Tômsơn đã tìm ra phƣơng pháp hàn tiếp xúc giáp mối và đƣợc
áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903.

-

Năm 1887 Bênađớt đã tìm ra phƣơng pháp hàn điểm.

-

Năm 1888 Slavianốp đã sử dụng điện cực kim loại để hàn.

-

Năm 1907 kỹ sƣ Kenbe ngƣời Thụy Điển đã sử dụng cực điện có thuốc
bọc (que hàn) để hàn kim loại.

-

Cuối những năm 1930 đến đầu những năm 1940 viện sỹ B.O.Patôn (Liên
Xô cũ) đã tìm ra phƣơng pháp hàn dƣới thuốc bảo vệ, phƣơng pháp hàn
tự động và bán tự động.

-

Cuối năm 1940, tìm ra phƣơng pháp hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ đó
là các khí (Hêli, Ácgông ở Mỹ và các khí carbonic ở Liên Xô).

-

Năm 1949 B.O.Patôn (Liên Xô cũ), tìm ra phƣơng pháp hàn điện xỉ.

-

Những năm tiếp theo hàng loạt các phƣơng pháp hàn mới đƣợc ra đời nhƣ:

hàn bằng tia điện tử, hàn siêu âm, hàn ma sát… và hiện nay trên thế giới
có 120 phƣơng pháp hàn khác nhau.

-

Nói chung các phƣơng pháp hàn ngày càng đƣợc hoàn thiện và phát triển
hơn. Nó đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong
kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là ngành hàng không – Vũ trụ. Có thể nói:
hàn là phƣơng pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại.


11
1.2.1.2. Lịch sử phát triển của ngành hàn ở Việt Nam
-

Từ xa xƣa, ông cha ta đã biết sử dụng hàn để làm ra các dụng cụ cần thiết
phục vụ cho đời sống và cải thiện điều kiện lao động.

-

Sau cách mạng tháng 8/1945 và đặc biệt sau khi hòa bình 1954 .Dƣới sự
lãnh đạo của Đảng ngành hàn đƣợc quan tâm và thực sự phát triển, nhất là
trong thời kỳ đổi mới.

-

Hiện nay với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành
nghề ngày càng đông đảo với sự hợp tác khoa học với các nƣớc trên thế
giới.

-

Chúng ta chắc rằng ngành hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển và đƣợc
ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất.

1.2.2.Khái niệm chung về hàn
a. Thực chất và đặc điểm
 Thực chất: Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết,
bộ phận ) thành một khối bền vững bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung
nóng chỗ cần nối đến trạng thái hàn. Sau đó, kim loại lỏng tự kết tinh (ứng
với trạng thái nguội, dẻo) để tạo thành mối hàn.
 Đặc điểm :
- Liên kết hàn đƣợc đặc trƣng bởi tính liên tục và nguyên khối. Đó là liên kết
“cứng” và không tháo rời đƣợc.
- So với các phƣơng pháp nối ghép khác kết cấu hàn cho phép tiết kiệm từ 10
đến 20% khối lƣợng kim loại, So với đúc, hàn có thể tiết kiệm đến 50% khối
lƣợng kim loại.
- Hàn có tính linh động và năng suất cao so với các công nghệ khác, dễ cơ khí
hóa, tự động hóa quá trình sản xuất.
- Tuy vậy, do trong quá trình hàn, vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt có
công xuất lớn, tập trung và trong thời gian ngắn, nên kết cấu hàn thƣờng có
những nhƣợc điểm sau đây:


12
Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận

-

có thể thay đổi theo chiều hƣớng xấu (đặc biệt đối với những vật liệu “khó

hàn”), làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, đặc biệt khi làm việc dƣới
tác dụng của tải trọng động, tải trọng biến đổi theo chu kì…
Trong kết cấu hàn thƣờng tồn tại ứng suất và biến dạng dƣ, ảnh hƣởng

-

đáng kể đến hình dáng, kích thƣớc, tính thẩm mỹ và khả năng làm việc của
sản phẩm.
-

Mặc dù vẫn còn những hạn chế nhất định, nhƣng với tính kinh tế - kỹ

thuật cao, công nghệ hàn ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu, phát triển
hoàn thiện và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công
nghiệp của nền kinh tế quốc dân.
b. Phân loại phƣơng pháp hàn
Có nhiều cách phân loại phƣơng pháp hàn. Tuy nhiên thông dụng nhất
là cách phân loại theo dạng năng lƣợng sử dụng và theo trạng thái kim loại
mối hàn tại thời điểm hàn.
Căn cứ vào dạng năng lƣợng sử dụng, có các nhóm phƣơng pháp hàn
nhƣ sau: Hàn điện, hàn cơ học, hàn hóa học, hàn kết hợp.
Theo trạng thái của kim loại mối hàn tại thời điểm hàn ngƣời ta chia
phƣơng pháp hàn thành 2 nhóm: hàn nóng chảy và hàn áp lực.
1.2.3 Lý thuyết về hàn tự động.
Gần 80% quá trình hàn tự động là hàn hồ quang khí trơ. Phƣơng pháp hàn
này có đặc điểm không cần làm sạch điện cực sau khi hàn, thích hợp với sản xuất
cƣờng độ cao.
Hệ thống hàn hồ quang tự động: Thiết bị hàn hồ quang tự động đƣợc thiết kế
khác hẳn thiết bị hàn tay. Hàn hồ quang tự động thƣờng có chu kỳ làm việc cao độ
và yêu cầu các thiết bị hàn phải hoạt động dƣới những điều kiện khắc nghiệt đó.

Ngoài ra, mỗi thành phần của hệ thống còn phải có đủ tính năng về điều khiển để
giao tiếp với hệ điều khiển trung tâm.


13
Một hệ thống hàn hồ quang tự động gồm các thành phần điển hình:
- Robot hàn hồ quang.
-Nguồn điện .
- Súng hàn: để truyền dòng điện hàn từ cáp hàn tới điện cực.
-Bộ làm sạch súng hàn: đầu súng hàn gần hồ quang và dần dần dính vẩy
hàn, cần phải làm sạch.
- Bộ cấp điện cực: để bù lại dây điện cực tự tiêu khi hàn.
Robot hàn hồ quang:
Các Robot hàn chủ yếu có dạng cánh tay có khớp hoặc xoay. Loại Robot trục
Đề-các chỉ đƣợc dùng cho các Robot rất lớn hoặc rất nhỏ. Cánh tay Robot đƣợc sử
dụng nhiều do nó cho phép súng hàn chuyển động nhƣ cách con ngƣời thao tác. Góc
súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi để hàn ở mọi vị trí, nhất là ở những vị trí
khó tiếp cận. Cánh tay Robot cũng gọn nhẹ nhất và có tầm với lớn nhất. Thƣờng các
Robot hàn có 5-6 trục tự do, lập trình đƣợc.
Bên cạnh các cách tay Robot, ngày nay ngƣời ta còn phát triển một phƣơng
pháp hàn tự động khác là sử dụng Mobile Robot nhằm tăng phạm vi và tính linh
hoạt của việc hàn.
Nguồn hàn:
Nguồn hàn phải cung cấp dòng điện điều khiển đƣợc với điện áp thích hợp
cho quá trình hàn. Thƣờng là 10 – 35 V và 5 – 100 A.
Súng hàn hồ quang:
Súng hàn dùng để đƣa điện cực đến mối hàn, truyền dòng điện hàn vào điện
cực và tạo ra lớp cách ly quanh mối hàn. Có nhiều kiểu súng hàn khác nhau, tùy
theo quá trình hàn, dòng hàn, kích thƣớc điện cực và chất cách ly.
Súng hàn có thể đƣợc làm nguội bằng nƣớc luân chuyển hoặc không khí.

Qúa trình hàn dùng điện cực tự tiêu nhƣ hàn hồ quang kim loại khí hoặc hàn hồ
quang lõi thuốc có thể dùng hoặc không dùng khí cách ly.
Các súng hàn có thể ở dạng thẳng hoặc cong. Súng hàn cong để tiếp cận mối
hàn dễ dàng hơn.


14
Chức năng chính của súng hàn là truyền dòng điện tới điện cực. Đối với quá
trình hàn dùng điện cƣc tự tiêu, dòng hàn đƣợc truyền tới điện cực khi nó chuyển
động qua súng.
Chức năng thứ hai của súng hàn là cấp khí cách ly tới vùng hàn (nếu có).
Hàn hồ quang kim loại khí dùng khí hoạt động nhƣ CO2 hoặc hỗn hợp khí trơ,
thƣờng là argon với CO2 hoặc O2.
Bộ cấp dây:
Bộ cấp dây dùng để bổ sung kim loại điền đầy trong qúa 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 thƣờng, bộ cấp dây
đƣợc mắc trên Robot, độc lập 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 đƣợc sử dụng.Có hai kiểu cơ
bản:
Kiểu thứ nhất dùng cho hàn dùng dây điện cực tự tiêu, gọi là bộ 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.
Kiểu cấp dây thứ hai gọi là cấp dây nguội và đƣợc dùng cho hàn hồ quang
tăng-xtan khí. Điện cực không phải là một phần của mạch hàn, và kim loại điền đầy
lấy từ vật hàn.
Bộ làm sạch súng hàn:
Để làm việc chính xác và tin cậy, súng hàn hồ quang phải đƣợc làm sạch liên
tục. Chu kỳ làm việc cao độ của hàn tự động nên quá trình làm sạch súng hàn cũng

phải đƣợc tự động hóa. Chất tách vẩy hàn đƣợc phun vào mũi súng hàn. Ngoài ra,
bộ làm sạch còn có thể trà sát mũi súng hàn để loại bỏ vẩy hàn bám vào và cắt dây
hàn. Hệ thống làm sạch phải đƣợc tự động kích hoạt tại các thời điểm mà bộ điều
khiển yêu cầu.


15
1.3 TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN.
1.3.1. Lịch sử ra đời và phát triển
Thuật ngữ Robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác
phẩm R.U.R (Rossum‟s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek mang ý
nghĩa ngƣời làm tạp dịch. Kể từ đó thuật ngữ này đƣợc sử dụng rộng rãi.
Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tƣởng về ngƣời máy
trong cuộc sống. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công trình đƣợc
bắt đầu tại các phòng thí nghiệm OakRidge và Argome để phát triển các máy cơ khí
đƣợc điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng
xạ. Các cánh tay này đƣợc thiết kết mô phỏng một cách chính xác sự chuyển động
của bàn tay và cánh tay con ngƣời.
Giữa những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí đó đã xuất hiện các
cánh tay thuỷ lực và điện từ. Cũng trong những năm này, George C.Devol đã thiết
kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyển có khớp nối đƣợc lập trình
(programmed artculated transfer device). Đây là một cánh tay máy mà hoạt động
của nó có thể đƣợc lập trình để thực hiện một chuỗi các bƣớc chuyển động đƣợc xác
định trong các câu lệnh trong chƣơng trình. Phát triển xa hơn ý tƣởng trên, Devol và
Joseph F.Engelberger đã dẫn đƣờng cho các robot công nghiệp đầu tiên đƣợc giới
thiệu năm 1959 ở công ty Unimation. Thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay
máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc khác nhau một cách tự động.
Khi robot đƣợc lập trình đã tạo một sự kỳ lạ và tạo ra sức mạnh trong sản
xuất, vào năm 1960 nhƣ một sự tất yếu, sự linh hoạt của hệ thống robot đƣợc nâng
cao đáng kể thông qua hệ thống phản hồi từ các sensor. Tiếp đó H.A.Ernst đã công

bố sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí đƣợc điều khiển bằng máy tính sử dụng
các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng với
môi trƣờng.
Vào cuối những năm 1960, Mc Carthy cùng đồng nghiệp đã công bố sự phát
triển của máy tính cùng với camera vô tuyến và microphone. Năm 1968 Pieper đã


16
nghiên cứu những vấn đề động học trong điều khiển robot bằng máy tính, trong khi
đó năm 1971 Kanh và Roth đã phân tích về động lực học và giới hạn điều khiển tay
máy.
Trong suốt những năm 1970, một số lƣợng lớn các công trình nghiên cứu đã
tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tăng sự tiện lợi và linh hoạt cho
robot. Vào thời gian này công ty máy tính IBM đã chế tạo ra loại robot có các
sensor xúc giác và sensor lực để lắp ráp các máy in gồm hai mƣơi cụm chi tiết.
Một lĩnh vực đƣợc nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành, robot
di động. Nhiều công trình nghiên cứu đã thiết kế, xây dựng tạo ra các robot tự hành
bắt chƣớc chân ngƣời hoặc súc vật.
Trong những thập kỷ 80 – 90, do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lƣợng
robot đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bƣớc tiến vƣợt bậc.
Ngày nay, chuyên ngành khoa học robot (robotics) đã trở thành một lĩnh vực
rộng trong khoa học, bao gồm việc giải quyết các vấn đề về cấu trúc cơ cấu động
học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động...
1.3.2. Các thế hệ robot
Kể từ khi khái niệm robot ra đời, việc thiết kế và chế tạo robot đã trải qua
nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ khác nhau. Có năm thế hệ robot ra đời kể từ năm
1960.
Thế hệ thứ nhất: Bao gồm các loại robot hoạt động lặp lại theo một chu trình
không thay đổi. Chƣơng trình điều khiển có hai dạng:

- Chƣơng trình “cứng”, nghĩa là không thay đổi hoặc không sửa đƣợc trừ khi
thay đổi phần cứng.
- Chƣơng trình có thể thay đổi đƣợc thông qua các panel điều khiển hoặc
thông qua máy tính.