Nghiên cứu giải pháp xây dựng và lập trình quỹ đạo cho robot hàn

Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--o0o--

HỒNG CƠNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÂY DỰNG
VÀ LẬP TRÌNH QUỸ ĐẠO CƠNG
NGHỆ CHO ROBOT HÀN
Chun ngành: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Mã số ngành: 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2005


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ HOÀI QUỐC
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. NGUYỄN TẤN TIẾN
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. TRẦN THIÊN PHÚC
Luận văn thạc só được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SỸ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày …… tháng …… năm 2005


NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày …. tháng …. năm 2005
Họ và tên học viên: HỒNG CƠNG
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 02 – 01 - 1979
Nơi sinh: Nha Trang
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
Mã số: 00403074
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÂY DỰNG VÀ LẬP TRÌNH QUỸ ĐẠO
CÔNG NGHỆ CHO ROBOT HÀN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Trình bày tổng quan về công nghệ hàn, robot hàn

-

Phương thức lập trình quỹ đạo chuyển động cho robot

-

Phương thức xây dựng quỹ đạo công nghệ cho robot hàn

-

Lập trình quỹ đạo công nghệ hàn

-

Đánh giá kết quả, kết luận và rút ra cách triển khai ứng dụng vào thực tế

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20 – 01- 2005
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 – 09 -2005
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

PGS. TS. LÊ HOÀI QUỐC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN QL
CHUYÊN NGÀNH

PGS. TS. LÊ HOÀI QUỐC

PGS.TS. TRẦN DOÃN SƠN

Nội dung và đề cương luận văn thạc sỹ đã được Hội đồng Chuyên ngành thông qua.
Ngày
TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH

PGS.TS. ĐOÀN THỊ MINH TRINH

tháng

năm 2005

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

PGS.TS. ĐẶNG VĂN NGHÌN


Abstract
On a Solution for Construction and Programming
Technological Trajectory on Arc Welding Robot
By Cong Hoang
Thesis Directed by: Associate Professor Quoc Le Hoai, Division of
Automatic Control Engineering and Manufacturing Automation,
Department of Mechanical Engineering.

Welding technology is one of most important field in industry of mechanical
manufacturing. Welding has many methods such as oxy-acetylene weld,
resistance weld, arc weld, laser weld, plasma arc weld, etc. The problems of arc
welding robot and automatic welding system are increasingly more interested
and studied by many researchers in the world which include from kinematics,
dynamics problems, torch path planning, trajectory planning and interpolation to
the generation of motion, simulation and real-time control, etc.
In the common applications such as pick-place manipulation, painting,
spray, and so on then trajectories are just simple point-to-point paths or
continuous paths. Unfortunately, the end-effector/ tool of any welding robot must
be drived of weaving motions along to a complex weld joint groove profile
between workpieces from works of welding preparation.
This thesis is only to make a study of a problem of welding technological
trajectory on arc welding robot. Specified issues are represented a solution for
construction and programming the actual welding trajectory. This is one of
crucial foundations for controlling of movements of robots, which make satisfy

different weld tasks. It is also to provide a useful result for developing existing


welding systems of which becomes from semi-automatic welding systems to
fully automatic welding systems.
Modeling of parametric curves described in this dissertation are B-spline
curves and straight-line segments. The purpose is to determine welded points on
real weld path in Cartesian space. Then, converting the states of current Tool
Center Point (TCP) and orientations of the last-link is into a set of generalized
joint variables by using available solution for inverse kinematics of differential
motions. The next step, visualized graphic results are illustrated on Matlab
environment. Last, my-self estimations and valuable comments are given.


LỜI CÁM ƠN
Luận văn này là kết quả của sự nổ lực của bản thân và sự tận tình giúp đỡ
của thầy hướng dẫn. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS. TS. Lê
Hoài Quốc, người đã tận tâm truyền đạt cho tôi nhiều điều bổ ích và giúp đỡ tôi
hoàn thành luận văn này. Thời gian qua tôi đã cảm nhận được sự gợi mở quý giá
của thầy khi cố gắng khai thác thông tin tham khảo thông qua internet:
-

Sự tìm hiểu, say mê và tích cực nghiên cứu của các tác giả trên thế giới
cùng với nhiều chủ đề rất sinh động và thiết thực

-

Hướng nghiên cứu, triển khai thực nghiệm về những dự án mới và phong
cách trình bày công trình của các tác giả thật nghiêm túc
Và tôi xin gởi lời chúc sức khỏe đến thầy hướng dẫn và gia đình.

Xin chân thành cám ơn tất cả các thầy cô trong Khoa Cơ khí, Trường Đại

học Bách khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức hữu ích và
dẫn đường cho các học viên cao học lớp CNCTM khóa 14 trong những năm qua.
Quá trình học tập và thực hiện luận văn còn có giúp đỡ rất nhiều của Ban
giám hiệu Trường Đại học Công nghệ Sài gòn, Khoa Cơ khí về tài chính cũng
như tạo điều kiện cho tôi rất nhiều.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đến anh Ngọc Hòa, Đ. Sơn cùng những
người bạn như anh Thái, V. Thắng và H. Cường đã tạo điều kiện giúp đỡ và động
viên tôi hoàn thành luận văn này.
Thật quý giá nếu như có được sự đóng góp ý kiến, phản biện của các thầy
cô, bạn bè, những người quan tâm để tác giả hiểu sâu và mở rộng kiến thức nhiều
hơn.

TPHCM, ngày 30 tháng 9 năm 2005
Hoc viên CNCTM 14:
Hoàng Công


Mục lục

Chương 1: Tổng quan
1.1 Tổng quan về công nghệ hàn, robot hàn
1.1.1 Công nghệ hàn và các ứng dụng trong công nghiệp
1.1.2 Công nghệ hàn hồ quang sử dụng robot
1.1.3 Tình hình nghiên cứu về robot hàn và các cơng trình liên quan
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
1.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu
1.4 Quỹ đạo công nghệ của quá trình hàn hồ quang

Chương 2: Phương thức lập trình quỹ đạo chuyển động cho robot
2.1 Bài toán động học và hoạch định chuyển động cho robot
2.2 Lập trình quỹ đạo cho robot hàn hồ quang
2.2.1 Lập trình trực tuyến
2.2.2 Lập trình ngoại tuyến
2.3 Nội suy và điều khiển chuyển động robot
Chương 3: Phương thức xây dựng quỹ đạo công nghệ cho robot
hàn
3.1 Phương pháp xây dựng đường cong không gian
3.2 Đề xuất các giải pháp thiết lập quỹ đạo công nghệ hàn
3.2.1 Các giải pháp thiết lập quỹ đạo công nghệ hàn
3.2.2 Nội suy quỹ đạo công nghệ cho các kiểu chuyển động hàn
3.2.3 Lập trình xây dựng một số đường hàn


3.3 Đánh giá kết quả và nhận xét
Chương 4: Kết luận và hướng triển khai kết quả nghiên cứu
4.1 Kết luận
4.2 Hướng triển khai kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế


Danh mục hình

Hình 1.1: Nguyên lý hàn hồ quang tay và trong môi trường khí bảo vệ (tr2).
Hình 1.2: Các loại mối hàn cơ bản (tr4).
Hình 1.3: Độ nhú điện cực (T. Đ. Tuấn, 03) (tr5).
Hình 1.4: Góc lệch giữa phương dây hàn và mặt phẳng (N, B) (tr5).
Hình 1.5: Các kiểu đường hàn hồ quang (tr6).
Hình 1.6: Robot hàn điểm 5 bậc tự do (tr8).
Hình 1.7: Robot hàn điểm (tr8).

Hình 1.8: Robot hàn hồ quang đang thử nghiệm hoạt động, [Báo Th Niên, 2004]
(tr14).
Hình 1.9: Tổng hợp chuyển động điểm cuối của điện cực theo ba phương của một
quỹ đạo công nghệ hàn (tr18).
Hình 1.10: Các chuyển động chính của quỹ đạo công nghệ hàn (tr18).
Hình 2.1: Sơ đồ các bài toán động học robot sáu bậc tự do (tr22).
Hình 2.2: Nguồn gốc của dữ liệu đầu vào cho bài toán ngược động học (tr24).
Hình 2.3: Điểm cuối di chuyển theo đường trong không gian hoạt động (tr29).
Hình 2.4: Phân loại hoạch định chuyển động cho robot (tr31).
Hình 2.5: Sơ đồ chương trình hoạch định quỹ đạo cho robot sáu bậc tự do (tr32).
Hình 2.6: Chia đường di chuyển thành nhiều đoạn nhỏ (tr38).
Hình 2.7: Teach pendant (tr39).
Hình 2.8: Hộp dạy học cho robot CRS, dạng Human scaled robot, [J. Mountain]
(tr40).
Hình 2.9: Sơ đồ kết nối của hệ thống điều khiển robot hàn (tr41).


Hình 2.10: Ghi nhận thông tin mẫu bằng số xung phản hồi của sáu động cơ dẫn
động sáu trục-khớp (tr42).
Hình 2.11: Dùng công cụ mô phỏng (tr43).
Hình 2.12: Tập véctơ biến khớp được nội suy và đưa vào bộ điều khiển tạo xung
cấp cho động cơ (tr45).
Hình 2.13: Hệ thống điều khiển trợ động [Baldor Electric Co.] (tr48).
Hình 2.14: Hệ thống trợ động trên robot hàn sáu trục, điều khiển bằng máy tính
(tr49).
Hình 3.1: Minh họa hình thực của đường cong không gian (tr51).
Hình 3.2: Các đồ thị thành phần biểu diễn đường cong không gian (tr52).
Hình 3.3: Đầu hàn chuyển động cùng với mặt phẳng cầu trường (T, B) (tr57).
Hình 3.4: Bốn hàm kết nối trên cùng miền xác định [0, 1] và ghép bốn hàm kết
nối thành hàm cơ sở trên miền [0, 4] (Nguồn: Fig. 11 & 12, [K. M. Archer, 1997])

(tr54).
Hình 3.5: Lấy mẫu tập vị trí và tập hướng khâu cuối tại các điểm rời rạc S(i) trên
biên mối hàn trong chế độ lập trình bằng tay (tr56).
Hình 3.6: Biểu diễn bằng tập các bộ sáu số (tr58).
Hình 3.7: Các biên mối hàn đồng phẳng (tr60).
Hình 3.8: Các biên mối hàn không đồng phẳng (tr62).
Hình 3.9: Rãnh hàn kích thước lớn (tr62).
Hình 3.10: Biểu diễn trong không gian thực (tr63).
Hình 3.11: Trình tự tính các trị cơ sở (tr65).
Hình 3.12: Lấy offset theo phương vectơ pháp tuyến kép B (tr66).
Hình 3.13: Tạo các đường cong chia lưới dọc theo độ dài của C(u) (tr67).
Hình 3.14: Tạo các điểm chia lưới dọc theo p đoạn cong dài bằng nhau (tr68).
Hình 3.15: Trình tự hoạch định chuyển động cho robot hàn trong luận văn này
(tr68).


Hình 3.16: Các điểm hàn trên đường offset bên trái và phải và đường hàn (tr69).
Hình 3.17: Giải thuật tạo quỹ đạo công nghệ trong quá trình hàn (tr69)
Hình 3.18: Sơ đồ các robot hàn có cổ tay khác nhau (tr71).
Hình 3.19: Quy ước gắn các hệ tọa độ lên robot hàn (tr72).
Hình 3.20: Cấu hình robot ở vị trí HOME q = [0 0 0 0 0 0] (tr73).
Hình 3.21: Quan hệ giữa HT và H6 (tr74).
Hình 3.22: Hệ H6 trùng với hệ H6 (tr75).


TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Họ và tên: Hoàng Công
Ngày, tháng, năm sinh: 02/01/1979

Nơi sinh: TP. Nha Trang

Địa chỉ liên lạc:
- 100/28/7 Thiên Phước, Phường 9, Quận Tân Bình, TP. Hồ Chí Minh
- Điện thoại: (08) 8656 601
- Di động: 0989 298 550
- Email:
• QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
- 1997 – 2002: Sinh viên trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh
- 2003 – 2005: Học viên cao học khóa 14 trường Đại học Bách khoa
TP. Hồ Chí Minh
• QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC:
- 2002 – nay: Giảng viên khoa Cơ khí, trường ĐHDL Công nghệ Sài
gòn, 180 Cao Lỗ, Phường 4, Quận 8


Ch

ng 1: T ng quan
Ch

ng này ch

y u trình bày v

công ngh

các khái ni m, nguyên lý, phân lo i ph
chuy n

ng hàn. S

c n thi t

nêu ra v n
ngh
ki n

ng pháp hàn, các ki u

ng, c i thi n

i th . Kh o sát tình hình nghiên c u v

hàn và các nh ng

quang GMAW.

ng d ng robot hàn và nhu c u t

hóa nh m nâng cao n ng su t, ch t l
cho ng

hàn h

ng

u ki n lao

các v n

ng

c a robot

tài liên quan giúp ích cho lu n v n này. Cu i cùng

nghiên c u gi i pháp xây d ng và l p trình qu

cho robot hàn. Tính m i m , khác bi t c a

o công

tài này trong

u

Vi t Nam.

1.1 T ng quan v

công ngh hàn, robot hàn

1.1.1 Công ngh hàn và các ng d ng trong cơng nghi p

Các quá trình hàn (welding process)
Hàn là sự kết nối các chi tiết kim loại hoặc phi kim với nhau thành một
khối bằng lực liên kết nguyên tử nhờ vào sự nung nóng hay biến dạng dẻo cục
bộ trên hai bề mặt đối tiếp. Quá trình hàn diễn ra gồm nhiều giai đoạn như gia
nhiệt, tan ra, bay hơi, ngưng lại (condensing), nóng chảy (fusion), kết rắn

(solidification) và nguội đi.
Đây là lónh vực rất đa dạng về phương pháp và ứng dụng. Thực tế có rất
nhiều phương pháp hàn khác nhau. Các phương pháp hàn hồ quang thông dụng
hiện nay gồm :
- Hàn hồ quang với điện cực không nóng chảy vôn-fram (Gas Tugsten Arc
Welding), còn gọi là hàn TIG (Tungsten Inert Gas).
- Hàn hồ quang dưới lớp khi bảo vệ (GMAW - Gas Metal Arc Welding)
còn gọi là hàn MIG-MAG (Metal Inert Gas & Metal Active Gas)
- Hàn hồ quang chìm (Submered Arc Welding)

1


- Hàn dây lõi thuốc (Flux Corded Arc Welding)
Hầu hết khoảng 80% trong công nghiệp là hàn hồ quang. Trong số các
phương pháp hàn trên, luận văn này chỉ khảo sát phương pháp hàn GMA
Công nghệ hàn hồ quang dưới lớp khi bảo vệ (GMAW)
Hàn hồ quang là quá trình hàn sử dụng nguồn nhiệt tạo bởi hồ quang điện
giữa điện cực nóng chảy (consumable electrode, filler material, filler wire) và
vật hàn (workpiece, base material). Hồ quang được tạo do sự ngắn mạch giữa
điện cực và chi tiết.
Nguyên lý mạch hàn cơ bản

Đối với hàn h quang tay, suốt quá trình hàn, người thợ phải điều chỉnh
hướng, góc lắc (work angle) và khoảng cách duy trì hồ quang cho nên sự chính
xác chủ yếu phụ thuộc vào kỹ năng và kinh nghiệm của người thợ.
Hàn GMA là hàn hồ quang kim loại trong môi trường khí bảo vệ có tính trơ
hoặc tính khử. Khí trơ (inert gas) và/hoặc khí hoạt tính (active gas) nhằm duy trì
hồ quang và bảo vệ điện cực và vũng chảy khỏi sự xâm nhập của không khí
trong môi trường. Các thành phần chủ yếu nitơ (80%) và oxy trong không khí sẽ

gây ra những khuyết tật hàn. Tùy vào mục đích ứng dụng và sự cải thiện đặc

2


tính cho thép, đồng, nhôm, titan hay hợp kim của chúng mà sử dụng các khí
bảo vệ khác nhau. Trong đó argon tinh khiết có giá thành đắt dùng để hàn
nhôm, hợp kim nhôm, hàn đồng, hợp kim đồng, thép hợp kim thấp và thép
không gỉ [M. Ericsson, 03]. Hình dạng tiết diện ngang của mối hàn có liên quan
đến chất lượng bề mặt mối hàn và chịu ảnh hưởng bởi tính chất hóa lý của khí
bảo vệ. Với heli khó lắng đọng do nhẹ hơn không khí, nên khả năng duy trì tính
ổn định hồ quang kém nhưng bù lại độ dẫn nhiệt lớn hơn nên kết quả là mối hàn
có độ ngấu sâu, rộng hơn. Còn argon nặng hơn cho nên có hiệu quả bảo vệ vũng
hàn tốt hơn. Do vậy sự bổ sung heli trộn vào khí argon để có mối hàn kết hợp
được các ưu điểm mối hàn hình dạng parabol, độ ngấu sâu, tính duy trì hồ quang
tốt thích hợp đối với hàn các chi tiết không sắt và hàn được các chi tiết dày hơn
[M. Ericsson, 03]. Đặc biệt sự hòa trộn này sẽ làm tăng khả năng hàn các chi tiết
đồng và hợp kim đồng có độ dày lớn hơn 6 mm [H. J. Andersen, 01]. Ngược lại,
nếu sự trộn lẫn giữa oxy, khí hoạt tính cacbonic (active oxidizing gases) hoặc
hỗn hợp giữa các khí cacbonic và oxy vào argon và heli không đúng tỷ lệ tối ưu
sẽ không phải là môi trường tốt cho hàn thép. Với các ứng dụng hàn thép có tốc
độ hàn cao và có độ ngấu sâu thì khí cacbonic là lựa chọn thích hợp về giá thành
nhưng mối hàn kém dẻo hơn so với argon.
Ngoài ra, sự kết hợp argon và nitơ còn giúp cân bằng ferrite và austenite
trong thép không gỉ.
Cơ chế duy trì hồ quang
Trong quá trình hàn GMA, điện cực (cáp hàn) được cấp liên tục bởi bộ cấp
dây hàn (wire feeder) để bồi đắp vào vùng khuyết và nóng chảy của vũng hàn
(weld pool). Sự cháy của hồ quang và cường độ dòng hàn được duy trì tự động
nhờ các hiệu chỉnh đặc tính điện thông qua việc sử dụng bộ nguồn áp không đổi

và bộ cấp dây có tốc độ không đổi.

3


Dạng hình học các mối hàn cơ bản
Các ứng dụng ghép nối chi tiết hàn thường thấy các kiểu hàn thông dụng
như mối hàn bằng đâu mí, hàn chồng, hàn góc, hàn góc chữ T và mối hàn cạnh.

Theo cách phân loại tổng quát [H. J. Andersen, 01], có hai loại mối hàn là:
- Mối hàn bên hông (Flank joints)
- Mối hàn ghép mặt (Flange joints)
Trong phạm vi luận văn này, không xem xét loại mối hàn bên hông.
Sự phát triển công nghệ hàn đi từ: hàn thủ công à hàn bán tự động à hàn
tự động à Robotic welding à Synergic,

[Đ. Tuấn et al, 2003].

Với công nghệ hàn sử dụng robot, các thông số hàn và các chuyển động
hàn theo đường hàn thực (quỹ đạo công nghệ) được lập trình trước để điều chỉnh
quá trình hàn. Còn với công nghệ Synergic, quá trình hàn còn phải được theo
dõi liên tục, xử lý can thiệp các thông số hàn và các chuyển động của bằng các
thông tin mà máy đã học trước.

4


Các thông số của quá trình hàn
Quá trình hàn diễn ra phức tạp với một lượng lớn các thông số: thông số
quá trình hàn, dữ liệu hình học của mối hàn, thông số chất lượng, và thông số

điều khiển thiết bị. Đối với hàn hồ quang điện cực nóng chảy, thông số của quá
trình gồm:
- Tốc độ đắp (phụ thuộc vào cường độ dòng điện hàn)
- Tốc độ cấp dây
- Tốc độ di chuyển điện cực (khâu cuối)
- Độ nhú điện cực (Electrical Stickout - ESO)
- Chiều dài hồ quang (có quan hệ với điện áp hàn)
- Góc giữa điện cực và vật hàn
- Độ ngấu (thông số về chất lượng mối hàn),

5


Khi tiến hành lấy mẫu các điểm gần đường biên mối hàn (weld profile),
cần chú ý điều chỉnh dựa vào ước lượng chiều dài hồ quang, góc giữa điện cực
và vật hàn sao cho thích hợp. Còn tốc độ cấp dây không thay đổi, nên các thông
số được quan tâm để xây dựng trong các chương trình điều khiển hệ thống robot
hàn là:
- Tốc độ đắp (dòng điện hàn)
- Tốc độ di chuyển điện cực (khâu cuối)
Vai trò của quỹ đạo công nghệ trong quá trình hàn
Các kiểu đường hàn thường gặp khi quan sát người thợ hàn hồ quang tay:

Dạng kéo thẳng (1) thích hợp đối với hàn cho các chi tiết mỏng không vát
mép hoặc hàn lớp thứ nhất của mối hàn nhiều lớp. Bề rộng mối hàn của phương
pháp này chỉ đạt được khoảng (0,8

1,5)d, d - là đường kính que hàn. Còn đa số

các trường hợp còn lại bề rộng mối hàn đạt được khoảng (3

5)d; mối hàn được

6


hình thành đan chéo tạo sự ngấu chắc hơn giữa các vật hàn. Các kiểu 1

7

thường được dùng phổ biến; kiểu 8 thích hợp khi cần nung nóng nhiều ở giữa
mối hàn còn kiểu 9, 10 được áp dụng khi cần nung nóng nhiều hai bên mép vật
hàn.
1.1.2 Cơng ngh hàn h quang s

d ng robot

Các lónh vực công nghiệp cần áp dụng robot hàn hồ quang:
-

Sản xuất ô tô, đóng tàu, xây dựng nhà xưởng, chế tạo máy, hàn ống nối,
bình chịu áp lực, thiết bị và quá trình công nghệ hóa học, v.v.

Robot được chọn dùng cho hàn hồ quang bởi các mục đích sau:
-

Lợi ích kinh tế là hàng đầu; kế đến là nhằm giải quyết vấn đề lương
nhân công, các chi phí bảo vệ và bảo hiểm tai nạn, độc hại cho người
lao động ngày càng tăng ở các nước phát triển và đang phát triển.

-

Những nơi làm việc gây nguy hiểm (hazardous), độc hại và không đảm
bảo an toàn lao động như: bức xạ nhiệt, khói thuốc, tia lửa, và điện giật.

-

Giúp người vận hành robot yên tâm khi mang và dẫn hướng đầu súng
hàn nặng đến những vị trí không tiện [Shimon Y. Nof, 1999].

-

Nâng cao năng suất, chất lượng hàn và độ tin cậy mối hàn nâng cao và
đồng đều bởi robot có thể thực hiện và lặp lại chính xác các chuyển
động hàn (welding motions).

-

Giải phóng người thợ khỏi những công việc đơn điệu, lặp lại nhàm chán

7


Hình dạng các robot hàn hiện nay của các hãng trên thế giới.

Hình 1.6: Robot hàn điểm năm bậc tự do (bốn khớp độc lập, hai khớp 3,
4 được dẫn động chung)
Trong công nghệ hàn điểm (spot welding) sử dụng robot,

Hình 1.7: Robot hàn điểm

8


Trong số những yếu tố cần thiết để có kết quả hàn tốt thì khả năng thực
hiện quỹ đạo theo thời gian thực có vai trò ảnh hưởng quyết định đến chất lượng
của mối hàn hồ quang:
- Điều chỉnh hướng và góc lắc dây hàn
- Điều chỉnh lượng nhô ra của dây hàn (stick out) tức khoảng cách tối ưu
giữa điện cực và chi tiết
- Tốc độ cấp dây điện cực đúng
- Tốc độ chuyển dời vị trí xung quanh biên hàn dọc theo phương hàn (Tốc
độ di chuyển của điện cực đúng)
Trình tự cơ bản trong quá trình hàn hồ quang tự động gồm năm bước:
- Cho luồng khí trơ vào vùng hàn
- Bắt đầu chu kỳ hàn: Bật nguồn điện và bắt đầu cấp dây
- Ngừng cấp dây
- Tắt nguồn điện
- Ngắt đường khí
Hệ thống hàn h quang sử dụng robot
Các thành phần cơ bản của một hệ thống hàn dùng robot gồm có:
-

Robot & bộ điều khiển robot

-

Tay kẹp thích hợp và súng hàn (thiết bị hàn trên tay kẹp)

-

Một hoặc nhiều bộ định vị đầu hàn (welding positioners) được điều
khiển

-

Rào chắn an toàn (barriers), màn hình để quan sát, và hệ thống cấp vật
liệu vào và lấy chi tiết ra khỏi trạm hàn đúng lúc.

Trong đó, bộ điều khiển robot có chức năng điều khiển hoạt động của các
khớp robot nhằm tạo ra lệnh di chuyển và định hướng đầu hàn (torch path and

9


orientation). Ở các trạm hàn hiện đại, còn trang bị các bộ điều khiển hàn thông
minh (intelligent welding controller). Chúng gồm có ba bộ điều khiển thành
phần: bộ điều khiển giám sát ( nghe-nhìn - audio/video controller), bộ điều
khiển quá trình hàn và bộ điều khiển cấp dây.
Cảm biến quá trình hàn hồ quang
Hoạt động điều khiển một quá trình phức tạp như hàn hồ quang nói chung
mà không có cảm biến cảm nhận trạng thái hiện thời của chi tiết, tham số điều
khiển quá trình thì cũng giống như mù và mò mẫm vì thiếu cập nhật sự thay đổi
chi tiết xê dịch liên tục để hiệu chỉnh ứng xử hàn thích hợp. Nhằm tăng cường
khả năng hồi tiếp thông tin cho bộ điều khiển, đảm bảo chất lượng mối hàn, hệ
thống hàn tự động dùng robot thường sử dụng các cảm biến: tiếp xúc cơ, cảm
biến cảm ứng, hồng ngoại, quang học, chùm tia điện tử. Ở các hệ thống robot
hàn hồ quang hiện đại có tính linh hoạt và ứng xử tự động cao, điều khiển
chuyển động theo cảm biến cùng với điều khiển thích nghi quá trình hàn được sử
dụng kết hợp. Các cảm biến sử dụng là cảm biến hồ quang (through-arc

sensing), bộ quét bằng tia laser (laser scanners) hoặc kết hợp giữa chúng để cân
đối giữa giá thành mà cũng đảm bảo độ chính xác chấp nhận được. Trong các hệ
thống sản xuất tàu lớn chở hàng hóa, vận chuyển dầu; ở đó việc hàn những tấm
thép lớn được phép dung sai lớn để giảm bớt chi phí. Hệ thống hàn thông minh
sử dụng robot trang bị seam-tracker là bộ quét laser hoặc cảm biến hồ quang để
theo dõi đường hàn (seam profile). Nhờ có cảm biến nhận biết sáu bậc chuyển
động (full 6D sensor) gồm ba chuyển động thẳng của TCP theo trục x, y, z và sự
chuyển dịch quay quanh ba trục xoay, gập, lắc (roll, pitch and yaw) nên hệ thống
có thể đi liên tục theo đường hàn ba chiều (3D seam) có độ cong vừa phải bằng
cách hiệu chỉnh theo thời gian thực (real-time correction) vị trí và hướng của đầu
hàn [M. Frendifalk et al, Patent II, 2002].

10


Ngoài việc sử dụng cảm biến để hỗ trợ điều khiển quá trình hàn thì cho đến
nay, đối với các nhà máy sản xuất qui mô vừa và nhỏ thì vấn đề quan trọng đối
với robot công nghiệp vẫn là khả năng thực hiện quỹ đạo chính xác. Đặc biệt với
các ứng dụng hàn hồ quang, hàn laser, khả năng thực hiện quỹ đạo vượt trội là
vấn đề cốt yếu để đạt được chất lượng hàn tốt.
1.1.3 Tình hình nghiên c u v robot hàn và v n

liên quan

Haøn laø lónh vực rất đa dạng về phương pháp và ứng dụng, do vậy nên các
vấn đề về hàn và nhu cầu tự động hóa công việc hàn luôn là đề tài thu hút nhiều
nhà nghiên cứu. Dưới dây là những nghiên cứu, những giải pháp nghiên cứu liên
quan đến hàn và các vấn đề liên quan như nghiên cứu về nội suy hình học,
hoạch định quỹ đạo, nội suy đường chuyển động, lập trình cho robot hàn.
Trong luận án về hệ thống robot thông minh, M. Fridentalk đã trình bày

nhiều vấn đề trong đó có đề cập đến các thuật toán điều khiển theo dõi đường
hàn (control algorithms for seam tracking), và điều khiển robot theo thông tin
hướng dẫn từ cảm biến (Sensors guided robot control).
Về lónh vực hàn hồ quang điện cực không nóng chảy Tungsten, ở luận án
[M. Ericsson, 03] tác giả đã xây dựng công cụ mô phỏng và phương pháp phân
tích và tối ưu ngoại tuyến (off-line) quỹ đạo đầu hàn, quá trình nhiệt, ứng suất
dư, và biến dạng quá trình hàn hồ quang Tungsten (TIG).
Ở lónh vực hàn laser [Henrik J. Andersen, 01], tác giả đã phát triển một hệ
thống điều khiển hàn laser dựa trên thông tin từ cảm biến.
Về một nghiên cứu xây dựng giao diện CAD để lập trình tự động cho robot
hàn. Trong bài báo [J. Noberto Pires et al], các tác giả đã đề xuất khả năng
trích thông tin chuyển động của robot từ tập tin dữ liệu CAD, ví dụ về quỹ
đạo hàn sử dụng các lớp có sẵn, ví dụ trích thông tin từ file CAD theo chuẩn trao
đổi dữ liệu

DXF, vàø xây dựng giao diện dùng để điều chỉnh từ file CAD.

11


Những nghiên cứu về CAD, CAGD, CGs, CG, IP liên quan đến đề tài
này
Bên cạnh các công trình về robot hàn, còn một số liên quan đến nghiên cứu
nội suy hình học, hoạch định quỹ đạo tối ưu như đề tài sau.
Xung quanh các bài toán về B-spline, một phương pháp nội suy mới về việc
dựng các bề mặt dạng bậc B-spline để thiết lập lại (reconstruction) mặt và sọ
ứng dụng nhận dạng người trong ngành tòa án, K. M. Archer [1997] đã trình bày
phương pháp nội suy qua nhiều điểm dữ liệu (Interpolation of multiple data
points) và Multi-resolution interpolation. Với mục đích giảng dạy, thể hiện sự
tác động trực tiếp của các tham số lên đường cong trước khi học các thuật toán

nội suy và xấp xỉ đường và mặt cong trong lónh vực đồ họa máy tính, hiện thị
trực quan (Visualization) và hoạt hình máy tính (computer animation), J. Fisher
et al [2004] đã chỉ ra bốn điểm khác nhau giữa các phương pháp nội suy truyền
thống thể hiện trong giáo trình về các phương pháp số (numerical methods
course) như Lagrange với phương pháp B-spline, xây dựng phần mềm
DesignMentor (DM2); chỉ cách tìm các tham số từ những điểm dữ liệu cho trước
và trình bày các phương pháp nội suy toàn bộ và cục bộ, nội suy mạng đường
cong (curve network interpolation) bằng phương pháp đệ quy Gordon. Trong [2],
A. Razdan đã sử dụng những đặc tính về chiều dài cung (arc length) và độ cong
(curvature) để trích các điểm nội suy (interpolation points) của một đường cong
cho trước. Việc dựng hình biểu diễn theo tham số thường dẫn đến các hiệu ứng
không mong muốn, trong luận án [36], M. D. Bloomenthal [1999] áp dụng phép
tham số hóa lại (reparametrization), tham số hóa gần đúng theo chiều dài cung
để biểu diễn đường và mặt cong phù hợp hơn nhằm thiết lập các tính chất quan
trọng chẳng hạn như ứng dụng tạo biên dạng tốc độ (speed profiles) dọc theo các
đường chuyển động (motion curves) trong hoạt họa, xác định tốc độ dọc theo các

12


đường chạy dao (tool paths). Ngoài dựng hình sử dụng các đường cong B-spline,
Tet Toe et al [2004] phát triển đánh giá tính không giống nhau
(dissimilarity/error) giữa các đỉnh điều khiển của đường cong mẫu và đường
cong cần kiểm tra (test object curve) nhằm ứng dụng trong nhận dạng chữ viết
(handwritten characters) của những người khác nhau với nhưng cách viết, kích
cỡ và chiều hướng khác nhau. Về những chủ đề quan trọng như offset đường
cong phẳng, G. Elber et al [1997] trong bài báo [16] đã chỉ ra những ưu điểm của
phương pháp đơn giản của Tiller và Hanson đối với đường cong tham số bậc hai,
và hạn chế của các phương pháp này đối với đường cong bậc cao hơn. Các tác
giả đã thực hiện việc so sánh về chất lượng cũng như số lượng của nhiều phương

pháp xấp xỉ offset (offset approximation methods) đương thời đối với đường
cong tự do (freedom curves) trong mặt phẳng. Trong [54], Soren et al [2003] đã
bổ sung dạng đường cong NURBS vào hệ thống CAD VARKON. Bên cạnh
những giải thích về lý thuyết, tính toán các đạo hàm, pháp tuyến, độ cong còn có
tính toán giải tích đường cong offset. Tư liệu này còn thể hiện cách đưa các
đường cong vào hệ thống CAD và ví dụ về loại bài toán liên quan đến việc thực
hiện các thực thể hình học trong một hệ thống CAD.
Những nghiên cứu trong nước
Trong những năm gần đây, ở nước ta đặc biệt ở các trường lớn như Đại học
Bách khoa TPHCM, Đại học Bách khoa Hà nội cũng có nhiều đề tài nghiên cứu
khoa học lớn. Điển hình như đề tài cấp quốc gia KC.03.02: Nghiên cứu thiết kế
chế tạo robot phục vụ các quá trình sản xuất trong môi trường độc hại và không
an toàn nằm trong chương trình khoa học công nghệ tự động hóa của nhà nước,
do Trường Đại học Bách khoa chủ trì, PGS.TS Lê Hoài Quốc làm chủ nhiệm. Đề
tài được nghiên cứu thực hiện bởi một nhóm khoảng 30 nhà khoa học thuộc các
lónh vực Viện Nghiên cứu Điện tử - Tin học & Tự động hóa VIELINA, Viện Cơ

13