Nghiên cứu xác định chế độ hàn và phương pháp lập trình cho rôbốt AX v6 hàn các đường phức tạp

..

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

NGÔ HỮU MẠNH

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ HÀN VÀ PHƯƠNG PHÁP
LẬP TRÌNH CHO RƠ BỐT AX-V6 HÀN CÁC ĐƯỜNG PHỨC
TẠP

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
HÀ MINH HÙNG
TRẦN VĂN ĐỊCH

HÀ NỘI – 2010


MỞ ĐẦU
Rơbốt là một sản phẩm trí tuệ do con người tạo ra. Mặc dù mới ra đời và
được ứng dụng khoảng nửa thế kỷ trở lại đây, nhưng rôbốt đã dần thay thế con
người trong quá trình lao động sản xuất. Việc ứng dụng rơbốt vào q trình sản xuất
ngày càng đem lại hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật, làm tăng năng suất lao động và tạo
ra những sản phẩm chất lượng cao. Khơng chỉ trong các phịng thí nghiệm, mơi
trường làm việc nguy hiểm và độc hại, rơbốt cịn được ứng dụng rộng rãi trong các

ngành kỹ thuật đặc biệt là các ngành công nghiệp nặng trong đó có lĩnh vực hàn.
Là một nước đang phát triển như Việt Nam, việc ứng dụng rơbốt hàn vào q
trình sản xuất đang mở ra một hướng đi mới nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất. Do
đó, nhiều doanh nghiệp đã đầu tư mua sắm dây chuyền sản xuất linh hoạt sử dụng
rôbốt hàn đã đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt như Mecerded, Ford, Toyota,
Honda…Bên cạnh đó, các trường Đại học và Cao đẳng cũng đã đưa rôbốt hàn vào
ứng dụng trong quá trình đào tạo. Việc này giúp đào tạo ra nguồn nhân lực chất
lượng cao cho nền kinh tế tri thức góp phần đẩy nhanh quá trình Cơng nghiệp hố,
Hiện đại hố đất nước.
Nền kinh tế cơng nghiệp khơng thể thiếu lực lượng lao động có kỹ thuật, có
tri thức, kỹ năng thao tác vận hành các thiết bị tự động như rôbốt hàn. Tuy nhiên
việc khai thác rôbốt hàn tại các đơn vị đào tạo chưa thực sự hiệu quả. Học sinh, sinh
viên chưa được tiếp cận và thực hành nhiều trên rôbốt hàn. Đội ngũ giảng viên, giáo
viên hướng dẫn thực hành lập trình và vận hành rơbốt hàn cịn thiếu.
Việc nghiên cứu, xây dựng chế độ hàn tối ưu cho từng loại vật liệu với chiều
dầy và vị trí hàn khác nhau sẽ là điều kiện thuận lợi giúp quá trình dạy và học thực
hành lập trình, vận hành rơbốt hàn AX – V6 tại trường Đại học Sao Đỏ đạt được
hiệu quả cao hơn. Sự thành công của đề tài sẽ giúp quá trình dạy và học tiết kiệm
được thời gian, giảm chi phí đào tạo, tăng khả năng tư duy, tăng hiệu quả kinh tế.
Để đáp ứng nhu cầu của người học được tiếp cận, làm chủ khoa học công
nghệ và yêu cầu ngày càng cao của thị trường lao động, chương trình đào tạo

1


chuyên ngành Công nghệ hàn của trường Đại học Sao Đỏ đã được hiệu chỉnh cho
phù hợp với yêu cầu thực tế. Nhiều công nghệ hàn hiện đại như hàn tự động trên
rơbốt đã được ứng dụng vào q trình dạy và học. Cùng với các công nghệ hàn khác
như hàn hồ quang tay, hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ MAG, MIG,
TIG; học sinh, sinh viên ngành Công nghệ hàn được tiếp cận, thực hành lập trình và

vận hành rơbốt hàn AX – V6 ở các cấp độ khác nhau theo hướng tăng dần độ phức
tạp của các bài tập thực hành. Tham gia lớp học thực hành lập trình và vận hành
rơbốt hàn sẽ giúp học sinh sinh viên chuyên ngành Công nghệ hàn mở rộng khả
năng tư duy, tích luỹ kiến thức cho bản thân. Đó là nền tảng giúp các em tự tin
trong công việc, làm chủ khoa học và công nghệ sản xuất trong tương lai. Vì vậy,
hướng nghiên cứu phát triển để mở rộng phạm vi ứng dụng rôbốt hàn ở Việt Nam
hiện nay là hết sức cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Lý do chọn đề tài
- Việc ứng dụng rơbốt hàn có nhiều ưu điểm so với các phương pháp hàn
khác bởi các đặc điểm như:
+ Tính linh động và khả năng tự động hóa dây chuyền sản xuất cao.
+ Tăng năng suất và hiệu quả kinh tế.
+ Hình dáng, kích thước và chất lượng mối hàn ổn định.
+ Ứng suất và biến dạng sau khi hàn nhỏ.
+ Hàn được các đường hàn có độ phức tạp cao.
- Để không ngừng nâng cao chất lượng đào tạo toàn diện và đáp ứng yêu cầu
thực tế của thị trường lao động, người học cần được tiếp cận và thực hành trên thiết
bị công nghệ hàn hiện đại.
Mục đích nghiên cứu
- Giới thiệu các đặc tính cơ bản của rôbốt hàn AX – V6.
- Cơ sở lý thuyết về ứng suất và biến dạng hàn để xây dựng phương pháp lập
trình cho rơbốt AX – V6 hàn các đường phức tạp.

2


Đối tượng nghiên cứu
Chế độ hàn cho vật liệu thép CT38 có chiều dày từ 2mm đến 10mm và phương pháp
lập trình mở rộng khả năng cho rơbốt AX – V6 hàn các đường cong phức tạp.
Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu, xác định chế độ hàn và phương pháp lập trình cho rơbốt AX – V6 hàn
các đường phức tạp ứng dụng hàn vật liệu thép CT38 có chiều dầy từ 2mm đến 10mm.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu đặc tính, thơng số chế độ
hàn và phương pháp lập trình rơbốt hàn AX – V6; ứng suất và biến dạng hàn;
phương pháp kiểm tra khuyết tật hàn .
- Phương pháp thực nghiệm: Chọn được các thơng số chế độ hàn, lập trình cho
rôbốt AX – V6 tự động hàn các đường phức tạp trên khung xe máy, hàn chữ. Xác
định ứng suất, biến dạng, các dạng khuyết tật hàn.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ RÔBỐT HÀN AX-V6
1.1. Lịch sử ra đời và phát triển của rôbốt hàn
Từ giữa thế kỷ XX, các ý tưởng thiết kế kết hợp giữa hệ điều khiển CNC
(Computer Number Control) với các cơ cấu điều khiển từ xa được nghiên cứu. Sự
phối hợp khéo léo giữa khả năng linh hoạt của thiết bị điều khiển từ xa Telcoperator
với sự thông minh của hệ điều khiển CNC đã đưa ra kết quả là một thế hệ máy móc
tự động cao cấp ra đời với tên gọi là “Rôbốt”.
Năm 1961, rôbốt công nghiệp (Industrial Robot = IR) đầu tiên được đưa ra
thị trường. Rôbốt UNIMAT – USA với lời quảng cáo hấp dẫn “Từ nay, công nghiệp
chế tạo cơ khí của Hoa Kỳ đã có thêm một loại cơng nhân mới. Nó khơng gia nhập
cơng đồn, khơng uống càfê trong giờ nghỉ. Nó có thể làm việc 24 giờ liên tục trong
ngày mà không quan tâm đến tiền lương, tiền thưởng. Nó nắm vững cơng việc phải
làm trong vài phút và ln hồn thành tốt nhiệm vụ được giao. Nó khơng bao giờ
than phiền về điều kiện làm việc nóng bức, khó chịu, nguy hiểm, độc hại, cũng
không kêu ca với những công việc buồn chán, tẻ nhạt, đơn điệu. Nó là rơbốt cơng
nghiệp”
Sau đó các nước Anh (1967), Thuỵ Điển và Nhật Bản (1968), Đức (1971),

Pháp (1972), Italia (1973) lần lượt đưa ra các mẫu rơbốt cơng nghiệp của họ. Chính
phủ các nước này đã có các biện pháp hộ trợ, ưu tiên thuế để xây dựng chương trình
quốc gia nhằm khuyến khích các cơng ty, doanh nghiệp chế tạo rôbốt và ứng dụng
chúng vào quá trình sản xuất. Nhờ vậy chỉ sau một khoảng thời gian ngắn, việc chế
tạo và ứng dụng rôbốt đã trở thành phổ biến trong quá trình sản xuất làm tăng năng
suất lao động đáng kể. Đến nay, thế giới cơng nghiệp có trên 200 cơng ty với hàng
ngàn mẫu rôbốt công nghiệp được ứng dụng trong sản xuất.
Rôbốt công nghiệp đặc biệt là rôbốt hàn được ứng dụng khá phổ biến trong
quá trình sản xuất. Các lĩnh vực sử dụng nhiều rơbốt hàn đó là cơng nghiệp sản xuất
ơtơ, đóng tàu, hàng khơng,… đã đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt.

4


Bảng 1.1: Rôbốt được ứng dụng vào các lĩnh vực sản xuất ở Mỹ [Máy công
cụ CNC và rôbốt công nghiệp]
Lĩnh vực sản xuất

Năm 1985

Năm 1990

Hàn

35%

5%

Hệ thống điều khiển tự động

20%

25%

Đúc

10%

5%

Lắp ráp

10%

35%

Phun phủ

10%

5%

Sơn

5%

15%

Các ứng dụng khác

10%

10%

1.2. Khái niệm về rôbốt hàn
Rơbốt hàn là một thiết tự động linh hoạt có thể thay thế từng phần hoặc toàn
bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người. Đó là sản phẩm của sự
kết hợp hài hồ giữa kỹ thuật cơ khí, điện tử và tin học.
Các thiết bị như máy biến áp hàn, mỏ hàn, bộ phận đẩy dây hàn, bộ phận cấp
khí bảo vệ q trình hàn…được liên kết hữu cơ với cơ cấu chấp hành sẽ nhận được
sản phẩm là rôbốt hàn để thực hiện những nhiệm vụ theo yêu cầu của quá trình hàn.
Cơ cấu chấp hành thường là rôbốt công nghiệp. Tùy theo yêu cầu của quá trình sản
xuất và mức độ phức tạp của cơng việc, có thể kết hợp cơ cấu chấp hành với các
thiết bị hàn khác nhau. Như sự kết hợp giữa rôbốt công nghiệp với thiết bị hàn trong
mơi trường khí bảo vệ sẽ được rơbốt hàn tự động trong mơi trường khí bảo vệ. Hoặc
kết hợp giữa rôbốt công nghiệp với thiết bị hàn điểm sẽ được rơbốt hàn điểm…
1.3. Tổ chức kỹ thuật của rơbốt hàn
Nhìn một cách tổng quan, rơbốt hàn có sơ đồ cấu trúc gồm bốn khối cơ bản.
Mỗi khối có chức năng, nhiệm vụ riêng. Chúng được liên kết với nhau một cách
hữu cơ trong quá trình điều khiển và hoạt động.

5


Khối B
Khối A
Máy tính
Bảng nhập
dữ liệu
điều khiển

Thiết lập & giải
bài toán động học

Lưu nhớ kết quả
giải bài toán
động học thuận

Giải bài toán
động học ngược

Xây dựng quỹ
đạo chuyển động
cơ cấu chấp hành

Lưu trữ

Điểm báo lỗi
Trung tâm
điều khiển

Σ

Nguồn
động lực

Động cơ
servo

Cơ cấu chấp

hành (Rơbốt)

Các thơng số
vật lý

Khối C

Khối D

Hình 1.1. Sơ đồ tổ chức kỹ thuật của rôbốt hàn
[Máy công cụ CNC và rôbốt công nghiệp]
Khối A - Khối thu thập và chuyển giao dữ liệu đầu vào
Cụm Teach pendant: Thực hiện quá trình dạy học cho rơbốt
Cụm Record button: Thực hiện lưu trữ và chuyển giao các dữ liệu cảm nhận
vật lý trong q trình học. Nó cịn được gọi là bộ dữ liệu cảm nhận vật lý, bao gồm
các toạ độ dịch chuyển và toạ độ góc ở vị trí ban đầu, vị trí cuối cùng cũng như các
vị trí trung gian trên một động trình [( θ o ,ho):( θ f ,hf)]
Khối B - Bộ não của rôbốt với trung tâm là bộ vi xử lý.
Cụm Forward kinematic: Có nhiệm vụ thiết lập và giải các bài toán động học
trên cơ sở bộ thông số đầu vào ( θ s ,hs).
Cụm Cartesian point storage: Có nhiệm vụ lưu, nhớ và chuyển giao các toạ
6


độ vị trí trên từng điểm. Nó thực hiện q trình giải các bài tốn động học thuận.
Cụm này cịn được gọi là bộ dữ liệu hình học [(Xo, Yo); (Xf,Yf)]
Cụm Trajectory planer: Có nhiệm vụ lập trình quỹ đạo đường đi của các
điểm hình học đã hoặc chưa dạy để hình thành tồn bộ quỹ đạo chuyển động cần có
[Xđ(t),Yđ(t)] của cơ cấu chấp hành cuối (Tool – Center – Point)
Cụm Invers kinematic: Có nhiệm vụ giải quyết các bài tốn động học ngược

để tìm ra các thơng số. Nó cịn được gọi là bộ dữ liệu điều khiển [θd (t), hd (t)].
Khối C - Khối điều khiển gồm bộ so sánh cặp giá trị “Cần” – “Thực”, các bộ
biến đổi D/A, bộ khuyếch đại công suất và phát tín hiệu điều khiển (theo nguyên tắc
điều khiển CNC)
Khối D - Khối cơ cấu chấp hành, bao gồm nguồn động lực (Motor dynamic),
các cơ cấu chấp hành (Robot dynamic), các bộ cảm nhận vật lý được cài đặt trên
chúng (Physical position).
Qua phân tích, mơ phỏng tổ chức kỹ thuật của dơbốt có thể nhận thấy các bộ
thơng số kỹ thuật chủ yếu của chúng gồm:
- Bộ thông số cảm nhận vật lý
- Bộ thơng số vị trí hình học
- Bộ thông số điều khiển
Để dễ tiếp cận hơn với tổ chức kỹ thuật của rôbốt thực tế hãy cùng điểm qua
ví dụ cụ thể về rơbốt hàn như sau “Một rơbốt hàn có nhiệm vụ thực hiện một đường
hàn bất kỳ ở góc của một tấm thép. Vận tốc hàn V = const được xác định từ chế độ
công nghệ tối ưu”. Khi đó, trường cơng tác của rơbốt được giới hạn bởi các yếu tố
sau:

Y

Y

A (x0,y0)

Tools

h

H

0

0

B (x r, y r)

X

X
0

Hình 1.2. Sơ đồ biểu diện rơbốt thực hiện hàn tự động đoạn AB
7


Các biến số được chia thành hai nhóm:
Nhóm dữ liệu hình học có thể quan sát được bao gồm đoạn [x0,y0);(xr,yr]

Nhóm giữ liệu cảm nhận vật lý gồm các giá trị trong giải [ (θ o , ho ); (θ f , h f ) ]
Ban đầu thông qua việc dạy học điều khiển bằng tay đưa cơ cấu chấp hành

cuối (Tool – Center – Point) đến các điểm A(x0,y0) và B(xr,yr). Các bộ phận cảm
nhận vật lý sẽ thu thập dữ liệu thông qua hoạt động cảm biến và đo lường lưu trữ
các giá trị của nhóm dữ liệu tương ứng (θ o , ho ); (θ f , h f ) . Bộ thông số này thông qua
các phương trình động học thuận trở thành bộ thơng số hình học, lúc đó ngay cả các
giá trị (θ o , ho ); (θ f , h f ) cũng được tính lại.
Phương trình động học thuận được suy ra từ nguyên lý kết cấu [Máy công cụ
CNC và rôbốt công nghiệp]

x = d cos θ − h sin θ

(1.1)

y = d sin θ + h cos θ

(1.2)

Giải hệ phương trình (1.1), (1.2) để tính tốn các giá trị bằng số đối với

(θ o , ho ); (θ f , h f ) và cả các giá trị tức thời liên tục trên quỹ đạo xđ(t), yđ(t).
Chẳng hạn:
Thời gian hàn:

(x

Th =

− xo ) + ( yú − y o )
2

f

V*

2

(1.3)

Với 0 < t < T, khi đó:
xđ(t) = x0+

yđ(t) = y0+

x f − xo
Tc
y f − yo
Tc

.t

.t

Thay Th bởi (1.3) được:
xđ(t) = x0+

yđ(t) = y0+

(x
(x

(x

f

− x o ).V *

− xo ) + ( y f − yo ) 2
2

f

(y

f

− y o ).V *

− xo ) + (y f − y o )
2

f

2

8

.t

(1.4)

.t

(1.5)


Các giá trị của bộ dữ liệu hình học được lưu trữ ở cụm Cartesiar point
storage. Các bài toán động học chỉ giải quyết mối quan hệ về các thông số hình học
phụ thuộc vào thời gian thực, khơng tính đến ảnh hưởng của lực, mômen và các
hiệu ứng năng lượng khác. Trong đó, phương trình động học thuận mơ tả mối quan
hệ thuận về hình học giữa các khâu chấp hành của rơbốt. Cịn các phương trình
động học ngược nhằm tìm ra bộ thơng số điều khiển như mong muốn.

Đặc tính phi tuyến thể hiện ở phương trình (1.1) và (1.2) do sự tồn tại của
môđun khớp quay, đặt ra những u cầu trong q trình điều khiển rơbốt. Mặc dù
đồn AB là đoạn thẳng nhưng trong q trình làm việc khâu chấp hành cuối khơng
chỉ có dịch chuyển vị trí thuần t mà cịn phải có q trình định hướng để đảm bảo
thực hiện các nhiệm vụ công nghệ một cách chính xác.
1.4. Ứng dụng của rơbốt hàn trong sản xuất cơ khí
Từ khi mới ra đời, rơbốt hàn đã được ứng dụng để dần thay thế con người
làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Do đó nhiều dây truyền sản xuất được tổ
chức và cơ cấu lại lao động. Năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt, giá
thành của sản phẩm ngày càng giảm, chất lượng và tính thẩm mỹ của sản phẩm
ngày càng cao…Phạm vi và mức độ ứng dụng rôbốt hàn vào các lĩnh vực của quá
trình ngày càng được phổ biến, đa dạng. Việc ứng dụng rôbốt vào sản xuất thực sự
trở thành cuộc cạnh tranh và chạy đua về khoa học kỹ thuật thuộc nhiều lĩnh vực
khác nhau.
Trong sản xuất và chế tạo các sản phẩm cơ khí, rơbốt được sử dụng khá phổ
biến như hàn, cắt, sơn, phun phủ kim loại, lắp ráp, vận chuyển phôi…Các lĩnh vực
này thường có cơng việc nặng nhọc, địi hỏi độ chính xác cao, môi trường làm việc
độc hại, nguy hiểm…Các rôbốt sử dụng thường là rơbốt chun dùng có tính linh
hoạt cao, được tích hợp nhiều chức năng để kết nối với các thiết bị ngoại vi khác để
đáp ứng yêu cầu thực tế sản xuất.

9


Hình 1.3. Hàn kết cấu thép dạng tấm bằng rơbốt AX–V6

Hình 1.4. Rơbốt hàn AX – V6 thực hiện hàn khung xe máy
Đối với chuyên ngành hàn, việc ứng dụng rơbốt vào q trình sản xuất có một
số ưu điểm nổi bật như:
- Khả năng tự động hoá cao.

- Tăng năng suất và hiệu quả kinh tế.
- Hình dáng kích thước và chất lượng mối hàn ổn định.
- Ứng suất và biến dạng sau khi hàn nhỏ.
- Thực hiện các đường hàn có độ phức tạp với độ chính xác cao.
- Làm việc trong môi trường không thuận lợi thay thế con người.

10


1.5. Cấu trúc động học và vùng hoạt động của rôbốt hàn AX-V6
1.5.1. Cấu trúc động học của rôbốt hàn AX-V6

Rơbốt hàn AX-V6 có 6 khâu, các khâu liên kết với nhau và được dẫn động bởi
các động cơ servo. Một số đặc tính kỹ thuật của rơbốt hàn AX-V6:
- Số trục quay của rôbốt: 06
- Số bậc tự do: 06
- Vị trí giữa hai điểm hàn liên liếp: ± 0,08mm.
- Dẫn động điều khiển: Động cơ điện servo.
- Vùng hoạt động: 3,14m2 x 3400
- Khối lượng của rôbốt: 155 kg.

Hình 1.5. Sơ đồ động học của rơbốt hàn AX-V6
Trong hệ trục tọa độ cố định Oxyz, góc quay giới hạn của các khâu như sau:
- Khâu 1 quay quanh trục Oz với góc quay giới hạn φ1 = ±1700.
- Khâu 2 quay quanh trục Ox với góc quay giới hạn φ2 = (+1550; -900)
- Khâu 3 quay quanh trục Ox với góc quay giới hạn φ3 = (+1900 ; -1700)
- Khâu 4 quay quanh trục Oy với góc quay giới hạn φ4 = ±1800
- Khâu 5 quay quanh trục Ox với góc quay giới hạn φ5 = (+2300; -500)
11

- Khâu 6 quay quanh trục Oz với góc quay giới hạn φ6 = ±3600
1.5.2. Vùng hoạt động của rôbốt hàn AX-V6

Vùng hoạt động của rôbốt là vùng không gian giới hạn của rôbốt khi vận hành.
Vùng hoạt động của rơbốt thể hiện được tính khoa học trong q trình thiết kế,
cũng như tính linh hoạt của rơbốt trong q trình vận hành.
Vùng hoạt động cực đại ứng với các thơng số hình động học và số bậc tự do
của rơbốt được giới hạn bằng đường màu đỏ trên hình 1.6

Hình 1.6. Vùng hoạt động của rơbốt hàn AX-V6
1.6. Cấu tạo của rôbốt hàn AX – V6
Rôbốt hàn AX – V6 là một loại rơbốt cơng nghiệp thuộc dịng Almega AX –
C của hãng Daihen Corporation sản xuất năm 2004. Rơbốt hàn AX – V6 được trang
bị những tính năng vượt trội so với các dịng rơbốt khác được sản xuất ở cùng thời
điểm. Trong đó đặc biệt phải kể đến như tính linh hoạt cao khi vận hành, khả năng
12


ứng dụng rộng rãi vào quá trình dạy học và sản xuất cơng nghiệp, có độ ổn định và
chính xác cao trong quá trình làm việc, kết nối được với nhiều thiết bị ngoại vi
khác, lưu trữ dữ liệu bằng thẻ nhớ trong và ngoài, thiết kế các cơ cấu khoa học và
có tính thẩm mỹ cao.
1

4

2

5

6

3

7
8
Hình 1.7. Các bộ phận chính của rơbốt hàn AX – V6:
1 - Cơ cấu đẩy dây hàn; 2 – Rôbốt hàn; 3 – Cuộn dây hàn; 4 – Bình khí CO2
5 – Hộp thao tác; 6 – Trung tâm điều khiển; 7 – Ổn áp nguồn; 8 – Nguồn hàn
1.6.1. Trung tâm điều khiển

Hình 1.8. Trung tâm điều khiển
13


Trung tâm điều khiển là bộ phận rất quan trọng của rơbốt hàn AX – V6.
Chúng có các chức năng điều khiển tồn bộ q trình hoạt động của rơbốt hàn. Từ
các dữ liệu và thông số đầu vào, tiến hành xử lý và phân tích thơng tin sau đó đưa ra
tín hiệu điều khiển cho cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh chức năng.
1.6.2. Bảng điều khiển (Teach Pedant)
Bảng điều khiển là bộ phận dùng để
nhập các dữ liệu đầu vào cho rơbốt hàn như
lập trình, lựa chọn các thông số dữ liệu đã
được trang bị và thực hiện các lệnh điều khiển
cho rôbốt hàn.
Bảng điều khiển được thiết kế nhỏ gọn,
nhẹ, dễ quan sát, thuận tiện khi thao tác và
vận hành rơbốt hàn. Bảng điều khiển có các
chức năng như một máy tính xách tay tạo điều
kiện thuận lợi cho người vận hành rơbốt. Màn

hình tinh thể lỏng 12 inch có độ phân giải cao
giúp người vận hành quan sát một cách thuận
lợi nhất. Các phím thao tác với sự bố trí vị trí
và màu sắc hợp lý, khoa học giúp quá trình
lập trình và vận hành được rễ ràng hơn. Cơng
tắc Deadman phía sau bảng điều khiển vừa
thuận lợi trong quá trình diều khiển đồng thời

to Controller

Hình 1.9. Bảng điều khiển cầm tay

vừa đảm bảo độ an toàn khi vận hành.
1.6.3. Hộp thao tác (Operation Panel)
Hộp thao tác là bộ phận dùng để thực hiện các chức năng điều khiển hoạt
động cho rôbốt hàn. Hộp thao tác được thiết kế nhỏ gọn, các phím được bố trí khoa
học thuận tiện cho q trình quan sát, điều khiển và vận hành.
Hộp thao tác được cấu tạo bao gồm các phím chức năng có nhiệm vụ cơ bản
như cấp nguồn cho rơbốt, thực hiện q trình chạy tự động, tạm dừng hoạt động, lựa

14


chọn phương thức vận hành bằng tay và tự động, dừng khẩn cấp nếu q trình làm
việc rơbốt gặp sự cố.
Emergency Stop
Teach / Playback

Motor on

Stop

Start

to Controller

Hình 1.10. Hộp thao tác
Bảng 1.2. Các phím chức năng của hộp thao tác
Cơng tắc/nút ấn
Chức năng
MOTOR ON

Khi ấn công tắc này, các động cơ sẽ được cấp điện,
rôbốt sẵn sàng làm việc.
Khi cần chạy tự động một chương trình đã được lập

START

trình, ấn nút START rơbốt sẽ chạy tự động chương
trình đó.

STOP
TEACH / PLAYBACK

Khi chương trình đang chạy tự động, ấn nút STOP thì
rơbốt sẽ dừng lại.
Công tắc này dùng để lựa chọn phương thức chạy tự
động hay điều khiển bằng tay cho rôbốt.
Trong quá trình làm việc nếu gặp sự cố muốn ngừng
khẩn cấp thì ấn cơng tắc EMERGENCY – STOP, khi

EMERGENCY STOP

đó rơbốt sẽ dừng lại ngay tức thì. Nếu muốn tiếp tục
làm việc cần xoay nút này theo chiều kim đồng hồ để
rôbốt hoạt động trở lại.
15


1.6.4. Cơ cấu chấp hành (Tay máy)
Tay máy (cơ cấu chấp hành) là bộ phận thực hiện các lệnh điều khiển. Nó
nhận tín hiệu điều khiển từ trung tâm điều khiển (Controller) và hoạt động để thực
hiện các công việc đã được lập trình.
Tay máy được thiết kế khá hồn hảo nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và
mở rộng vùng hoạt động của rôbốt. Các khớp được liên kết với nhau và dẫn động
điều khiển bởi các động cơ điện servo. Vì vậy, tay máy có thể thực hiện được nhiều
thao tác có độ phức tạp cao, hàn được hầu hết các vị trí trong khơng gian.

Hình 1.11. Tay máy thực hiện các vị trí hàn trong khơng gian
1.6.5. Hệ thống cung cấp khí
Hệ thống cung cấp khí có nhiệm vụ cung cấp khí bảo vệ vũng hàn và mối
hàn trong q trình hàn. Ngồi ra, khí bảo vệ cịn có tác dụng làm mát mỏ hàn khi
làm việc liên tục trong thời gian dài.
Khí bảo vệ thường sử dụng trong q trình hàn là khí hoạt tính (CO2) hoặc
khí trơ (Argon hoặc Helium). Khi hàn thép các bon (Steel) thường dùng khí bảo vệ
là khí hoạt tính CO2. Cịn khi hàn thép khơng gỉ (Stainless Steel) hoặc hàn nhơm
thường sử dụng khí Argon hoặc Helium.
Hệ thống cung cấp khí bao gồm các bộ phận như bình chứa khí (CO2, Ar
16

hoặc He), van điều áp, van điện từ, ống dẫn khí.
Trong q trình hàn, khí từ bình chứa với áp suất cao (p ≈ 150bar) được giảm
xuống đến áp suất làm việc (p ≈ 3bar) thông qua hệ thống van điều áp. Sau đó, khí
sẽ theo đường ống dẫn đến trung tâm điều khiển. Khi nhận được tín hiệu điều khiển
mở van điện từ, khí sẽ được cung cấp đến đầu mỏ hàn để bảo vệ vũng hàn và mối
hàn. Để đảm bảo chất lượng mối hàn, thơng thường khí bảo vệ thường được mở
trước khi hồ quang hình thành và đóng lại sau khi hồ quang đã kết thúc. Khoảng
thời gian đóng và mở khí bảo vệ được điều chỉnh phù hợp với từng loại mối hàn, vị
trí hàn, vật liệu hàn,…

Hình 1.12. Bình khí CO2
1.6.6. Hệ thống cung cấp dây hàn
Hệ thống cung cấp dây hàn có nhiệm vụ cung cấp dây hàn để bổ sung kim
loại tạo thành mối hàn trong q trình hàn. Nó được cấu tạo bởi các bộ phận như
tang dây (cuộn dây hàn) có đường kính và khối lượng theo tiêu chuẩn, ống dẫn dây,
cơ cấu đẩy dây hàn.
Cuộn dây thường được đặt cố định trên giá đỡ, cơ cấu đẩy dây được gắn trên
rơbốt hàn, cịn đường ống dẫn dây hàn thường là ống mềm nhằm tăng tính linh hoạt
cho rơbốt khi hoạt động để thực hiện quá trình hàn.
Cơ cấu đẩy dây hàn thường có hai loại đó là loại 2 bánh đẩy và loại 4 bánh

17


đẩy. Loại 2 bánh đẩy dây thường gặp khi hàn dây hàn thép đặc (Solid Steel). Loại 4
bánh đẩy thường dùng khi hàn dây mềm (dây hàn nhôm) hoặc dây hàn có lõi thuốc.
Tuy nhiên trong những trường hợp đặc biệt để tăng hiệu quả và năng suất đẩy dây
hàn cho rôbốt nên dùng loại 4 bánh để đẩy dây hàn thép.
1

2

3

4

5

6

7
Hình 1.13. Cơ cấu đẩy dây hàn 4 bánh:
1 – Van khí điện từ; 2 – Động cơ đẩy dây hàn;
3 – Núm điều chỉnh lực ép; 4 – Bánh tỳ;
5 – Ty dẫn dây hàn; 6 – Bánh răng trung gian; 7 – Bánh răng chủ động
1.7. Các chuyển động cơ bản của rôbốt hàn AX – V6
Rôbốt hàn AX-V6 được thiết kế chuyển động theo nhiều hệ trục toạ độ khác
nhau. Các chuyển động được chia thành hai nhóm đó là chuyển động tịnh tiến và
chuyển động quay quanh trục toạ độ. Với số bậc tự do là 6, rơbốt hàn AX – V6 có
thể chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay theo các trục toạ độ rất thuận lợi.
Trong q trình hoạt động, rơbốt hàn AX – V6 có thể dịch chuyển tịnh tiến hoặc
quay theo từng trục độc lập hoặc có thể kết hợp chuyển động tịnh tiến và chuyển
động quay cùng một thời điểm.
Tốc độ dịch chuyển của rôbốt hàn AX – V6 được điều chỉnh phù hợp với
từng trường hợp cụ thể để vừa đảm bảo tính chính xác, vừa đảm bảo năng suất và

18

hiệu quả hoạt động.
Tốc độ chuyển động của các trục như sau:
Trục 1: 150 0/s = 2.62 rad/s
Trục 2: 150 0/s = 2.62 rad/s
Trục 3: 150 0/s = 2.62 rad/s
Trục 4: 340 0/s = 5.93 rad/s
Trục 5: 340 0/s = 5.93 rad/s
Trục 6: 520 0/s = 9.08 rad/s

Rôbốt chuyển động tịnh tiến theo trục X

Rôbốt chuyển động quay theo trục X

Rôbốt chuyển động tịnh tiến theo trục Y

Rôbốt chuyển động quay theo trục Y

Rôbốt chuyển động tịnh tiến theo trục Z

Rơbốt chuyển động quay theo trục Z

Hình 1.14. Các chuyển động cơ bản của rôbốt hàn AX – V6

19


Kết luận chương 1:
Trong chương 1 đã hoàn thành các nội dung chính như sau:
1) Giới thiệu khái quát về lịch sử ra đời và ứng dụng của rôbốt hàn.
2) Trình bày khái niệm và tổ chức kỹ thuật của rôbốt hàn, cấu trúc động học

và vùng hoạt động của rơbốt hàn AX-V6.
3) Phân tích chức năng của các bộ phận và những chuyển động cơ bản của
rôbốt hàn AX – V6.
4) Rút ra kết luận về tính cấp thiết phải tiến hành nhiệm vụ nghiên cứu đề tài
Luận văn xuất phát từ quan điểm cho rằng: tuy các nhà sản xuất đã tích hợp các
chức năng lập trình điều khiển cho rơbốt hàn để ứng dụng vào q trình sản xuất tùy
theo điều kiện Hợp đồng chuyển giao công nghệ với từng đối tác cụ thể sẽ có những
mơđun điều khiển tương ứng. Các phiên bản phần mềm điều khiển rơbốt mới đối
với mỗi một loại rơbốt đều có thể được cập nhật thay thế cho phiên bản cũ vì chúng
có nhiều ưu điểm và tính năng cho phù hợp với trình độ sản xuất cao hơn. Nhưng
người sử dụng phải mua bí quyết cơng nghệ của các hãng sản xuất rơbốt với số tiền
khá cao, chính vì vậy, việc đề xuất nghiên cứu mở rộng phạm vi ứng dụng trong
điều kiện Việt Nam cho rôbốt hàn AX-V6 phục vụ q trình đào tạo để thí nghiệm
hàn các đường cong phức tạp với các loại vật liệu khác nhau là cần thiết và góp
phần giúp cho q trình sử dụng rôbốt đạt hiệu quả cao hơn.

20


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG HÀN
2.1. Khái niệm về ứng suất và biến dạng hàn
2.1.1. Khái niệm ứng suất và biến dạng hàn
a. Ứng suất hàn
Ứng suất hàn là nội lực suất hiện trong kết cấu khi có sự thay đổi về tổ chức
và tính chất của kim loại dưới tác dụng của nguồn nhiệt.
Ứng suất cho phép của mối hàn và kết cấu hàn là trạng thái giới hạn của ứng
suất đảm bảo cho mối hàn và kết cấu hàn làm việc an toàn. Ứng suất cho phép của
mối hàn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như vật liệu chế tạo, vật liệu hàn,
phương pháp hàn, chế độ hàn, trình tự hàn, q trình lắp ghép, dạng tải
trọng…Trong đó, ứng suất cho phép kéo được lấy làm cơ sở để tính tốn và xác

định các loại ứng suất khác.
Bảng 2.1: Ứng suất cho phép của mối hàn
Ứng suất cho phép (KN/cm2)
Kéo
Nén
Cắt
[σ]k
[σ]k
0,65.[σ]k

Công nghệ hàn
Các mối hàn tự động, bán tự động
b. Biến dạng hàn

Biến dạng hàn là sự thay đổi hình dáng, kích thước của kết cấu khi có sự tác
dụng của nguồn nhiệt hàn.
Biến dạng hàn có ảnh hưởng lớn đến kết cấu như làm sai lệch hình dáng hình
học gây khó khăn cho q trình lắp ghép, làm giảm khả năng chịu tải của kết
cấu...Do vậy, trong quá trình hàn cần thực hiện đúng quy trình, xác định và chọn
được chế độ hàn tối ưu nhằm giảm biến dạng hàn đến mức thấp nhất.
2.1.2. Phân loại ứng suất và biến dạng hàn
Theo nguyên nhân tạo thành:
- Ứng suất và biến dạng nhiệt sinh ra do quá trình nung nóng và làm nguội
kết cấu hàn.
- Ứng suất và biến dạng dư sinh ra do quá trình hàn, vận chuyển, lắp ghép
không ở trạng thái tự do.
21


Theo hướng trong không gian:

- Ứng suất và biến dạng phẳng thường gặp khi hàn tấm mỏng
- Ứng suất và biến dạng khối thường gặp khi hàn tấm có chiều dày lớn.
2.2. Ứng suất và biến dạng khi hàn giáp mối
2.2.1. Ứng suất và biến dạng do co dọc trục mối hàn
Dưới tác dụng của nguồn nhiệt hồ quang hàn, tổ chức và tính chất của kim
loại bị thay đổi sinh ra ứng suất và biến dạng cho kết cấu hàn. Ứng suất và biến
dạng hàn thay đổi liên tục theo hai xu hướng. Đó là q trình nung nóng và q
trình nguội của kim loại.
Q trình nung nóng: Dưới tác dụng của nguồn nhiệt các lớp kim loại bị
nung nóng làm thay đổi tổ chức và tính chất của vật liệu. Khi đó các lớp kim loại
này bắt đầu giãn nở. Tuy nhiên chúng không thể giãn nở tăng kích thước một cách
tự do được vì sự cản trở của các lớp kim loại nguội hơn ở bên cạnh. Do quá trình
truyền nhiệt của kim loại, nhiệt sẽ truyền từ hồ quang hàn đến các lớp kim loại lân
cận tạo nên vùng ảnh hưởng nhiệt (vùng ứng suất tác dụng). Khi đó trong vùng kim
loại bị nung nóng xuất hiện ứng suất nén (σn), còn vùng kim loại chưa bị ảnh hưởng
bởi nguồn nhiệt xuất hiện ứng suất phản kháng (σ2) để chống lại sự giãn nở tăng
kích thước của vùng kim loại đã bị nung nóng bởi nguồn nhiệt.

Vùng kim loại mối hàn
Vùng ảnh hưởng nhiệt
Vùng kim loại cơ bản
Hình 2.1. Ứng suất và biến dạng khi nung nóng
Q trình nguội: Do hiện tượng truyền nhiệt, kim loại mối hàn nhanh chóng
chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái dẻo, còn kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt
chuyển từ trạng thái dẻo sang trạng thái đàn hồi. Khi đó, cácnguyên tử kim loại bắt

22


đầu co lại nhưng chúng không thể co một cách tự do được vì sự cản trở của các

nguyên tử kim loại xung quanh. Khi đó trong vùng ứng suất tác dụng (vùng kim
loại bị thay đổi tổ chức và tính chất vật liệu) xuất hiện ứng suất kéo (σk), còn vùng
kim loại cơ bản xuất hiện ứng suất phản kháng (σ2) chống lại sự giảm kích thước
của vùng kim loại đã bị nung nóng bởi nguồn nhiệt.

Vùng kim loại mối hàn
Vùng ảnh hưởng nhiệt
Vùng kim loại cơ bản
Hình 2.2. Ứng suất và biến dạng khi nguội
Chiều rộng vùng ứng suất tác dụng là vùng kim loại bị thay đổi tổ chức và
tính chất dưới tác dụng của nguồn nhiệt dồ quang.
b0 = 2bn = 2(b1 + b2)

(cm)

Diện tích tiết diện ngang vùng ứng suất tác dụng
(cm2)

Fc = b0.S
Vùng kim loại chảy và viền chảy cạnh mối hàn.

b1 =

0 , 484 .q
v .c .γ . S . 550

Trong đó:
b0 – Chiều rộng vùng ứng suất tác dụng của kết cấu; (cm)
bn – Chiều rộng vùng ứng suất tác dụng của một tấm; (cm)
S – Chiều dày vật liệu được tính theo hướng tản nhiệt của kết cấu; (cm)

S = S1 + S2 +…+ Sn
V – Vận tốc hàn; (cm/s)
q – Công suất nhiệt hiệu dụng của hồ quang; (calo/s)
q = 0,24.η.Ih.Uh
C – Nhiệt dung riêng của kim loại; (calo/g.0C)
23


γ – Khối lượng riêng của kim loại; (g/cm3)
Vùng kim loại đạt đến trạng thái dẻo.

b2 = K 0 ( h − b1 )
2
Trong đó: h – Chiều rộng của kết cấu; (cm)
K0 – Hệ số thực nghiệm (K0 được tra theo đồ thị hoặc bảng)
q0 - Năng lượng đường của hồ quang, q0 = q / V; (calo/cm)
K0
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0

q0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 (calo/cm)

Hình 2.3. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa K0 và q0
Nội lực sinh ra khi hàn.
P = σT.Fc = σT.b0.S
Trong đó: P - Nội lực sinh ra khi hàn, (KN)
σT – Giới hạn chảy của vật liệu; (KN/cm2 )
Ứng suất phản kháng sinh ra khi hàn.

σ2 =

σ .b
P
= T 0
F − Fc h − b0

Trong đó: σ2 - Ứng suất phản kháng sinh ra khi hàn; (KN/cm2)
F – Diện tích tiết diện ngang của kết cấu; (cm2)
F = h.S
24