Thiết kế thiết bị trên nền tảng thị giác cho hoạch định quỹ đạo của robot hàn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN TẤN KHIÊM

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRÊN NỀN TẢNG THỊ GIÁC CHO
HOẠCH ĐỊNH QUỸ ĐẠO CỦA ROBOT HÀN
DESIGN A VISION-BASED DEVICE FOR MOTION
PLANNING OF A WELDING ROBOT

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

PGS. TS. Nguyễn Quốc Chí

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

PGS. TS. Trương Đình Nhơn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 20 tháng 01 năm 2021.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.

Chủ tịch: TS. Đoàn Thế Thảo

2.

Thư ký: TS. Lê Thanh Hải

3.

Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương

4.

Phản biện 2: PGS. TS. Trương Đình Nhơn

5.

Ủy viên: TS. Lê Đức Hạnh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Tấn Khiêm

MSHV: 1970028

Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1995

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số: 8520114

I.

TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRÊN NỀN TẢNG THỊ GIÁC CHO HOẠCH ĐỊNH

QUỸ ĐẠO CỦA ROBOT HÀN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Thiết kế hệ thống vison cho cánh tay robot công nghiệp
- Thiết kế giải thuật xử lý ảnh
- Truyền thông giao tiếp giữa thiết bị vision với bộ điều khiển cánh tay máy
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm
- Thực nghiệm, đo đạc, đánh giá sai số và đưa ra các định hướng phát triển đề tài
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/02/2020
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/01/2021
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Nguyễn Quốc Chí
Tp. HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2021.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Quốc Chí –
người Thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian qua. Nếu khơng có sự dẫn
dắt và định hướng của Thầy luận văn này sẽ khơng thể hồn thành.
Em cũng xin cám ơn tất cả quý Thầy/Cô trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập của em tại trường.
Đồng thời, em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến các thành viên CA – LAB, những người
bạn đã giúp đỡ, động viên tinh thần em trong quá trình thực hiện mơ hình và hỗ trợ
về mặt kiến thức để em có thể hồn thành tốt luận văn. Cuối cùng, em xin cám ơn
chân thành Quý Công ty TNHH Think Alpha đã hỗ trợ trang thiết bị và cơ sở vật chất
cho em trong suốt quá trình làm luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn mọi người đã ln ở bên cạnh em. Cám ơn mọi người
vì tất cả.

TP. Hồ Chí Minh , ngày 08 tháng 01 năm 2021

Nguyễn Tấn Khiêm


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nhiệm vụ của luận văn tập trung vào việc thiết kế thiết bị trên nền tảng thị giác
để đáp ứng nhu cầu nhận diện đường cần hàn và truyền tọa độ của đường cần hàn đó
xuống bộ điều khiển cánh tay máy cơng nghiệp để thực hiện q trình gia cơng hàn.
Luận văn trình bày thiết kế hệ thống vision dạng laser triangular phù hợp cho
cánh tay máy robot, thuật toán xử lý ảnh để tìm ra các tọa độ điểm nằm của đường
cần hàn và quá trình truyền dữ liệu xuống bộ điều khiển robot.
Đề tài này nhằm giải quyết vấn đề tự động hóa trong q trình gia cơng hàn để
hạn chế con người làm việc trong môi trường độc hại và nâng cao năng suất, độ chính
xác của q trình gia cơng hàn.
Luận văn đã hoàn thành thiết kế hệ thống trên nền tảng thị giác, thuật toán xử
lý ảnh, giao tiếp dữ liệu giữa bộ thiết bị vision và bộ điều khiển của robot; xây dựng
mơ hình thực nghiệm dựa trên các thiết kế của tác giả và các kết quả thực nghiệm đáp
ứng được các yêu cầu đề bài.

iii

ABSTRACT
The mission of the thesis focuses on the design a vision-based device to meet
the demand to detect weld seam and to transfer the coordinate of that seam to the
industrial robot arm controller to perform welding machining processes.
The thesis presents the design of machine vision using laser triangulation
suitable for robot arm, image processing algorithm to find the coordinates of points
of the weld seam and the process of transmitting data to the robot controller.
This topic is aimed at solving the problem of automation in the welding process
to limit people working in hazardous environments, to improve productivity and
accuracy of the welding machining process.
The thesis has completed the design the vision-based device, image processing
algorithm, communication of data between vision system and robot controller;
building experimental models based on the author's designs and experimental results
that satisfy the requirements of the topic.


iv

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Tôi xin cam đoan tất cả nội dung trong luận văn này không sao chép các cơng
trình nghiên cứu của các cá nhân hay các tổ chức.
Tôi xin thực hiện nghiêm túc việc trích dẫn các cơng trình bài báo, tham luận
đã cơng bố được sử dụng trong luận văn.

Tác giả luận văn

Nguyễn Tấn Khiêm


v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii
ABSTRACT ........................................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN .................................................... iv
MỤC LỤC .............................................................................................................. v
DANH SÁCH HÌNH ẢNH..................................................................................... ix
DANH SÁCH BẢNG BIỂU................................................................................. xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 1
1.1 Nhu cầu thực tiễn của đề tài........................................................................... 1
1.2 Phương pháp hàn được tích hợp trên cánh tay robot ...................................... 3
1.2.1 Các phương pháp hàn phổ biến............................................................... 3
1.2.2 Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ ..... 6
1.3 Ứng dụng cánh tay robot thông minh vào ngun cơng hàn........................... 9
1.4 Các thiết bị dị đường hàn công nghiệp trên thị trường ................................ 11
1.4.1 Thiết bị dị đường hàn tích hợp trên robot hãng Yaskawa ..................... 11
1.4.2 Thiết bị dị đường hàn tích hợp trên robot hãng Panasonic ................... 13
1.4.3 Thiết bị dị đường hàn tích hợp trên robot hãng OTC Daihen ............... 14
1.4.4 Thiết bị dò đường hàn hãng SCANSONIC ........................................... 14
1.5 Các ứng dụng robot thông minh kết hợp công nghệ vision .......................... 15
1.5.1 Nghiên cứu quốc tế .............................................................................. 15
1.5.2 Nghiên cứu trong nước ......................................................................... 16

vi

1.6 Mục tiêu, nội dung đề tài ............................................................................. 18
1.7 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 18
1.8 Đầu bài thiết kế và thông số ban đầu ........................................................... 18
1.9 Yêu cầu hệ thống ......................................................................................... 19
CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ............................................................ 20
2.1 Lựa chọn phương án tái tạo đường hàn bằng hệ thống vision....................... 20
2.1.1 Stereo Vision ........................................................................................ 20
2.1.2 Structure Light ..................................................................................... 21
2.1.3 Laser Triangular ................................................................................... 24
2.2 Lựa chọn truyền nhận dữ liệu hệ thống vision ............................................. 26
2.3 Xây dựng cấu trúc hệ thống ......................................................................... 27
2.3.1 Lựa chọn bộ điều khiển xử lý ảnh......................................................... 27
2.3.2 Lựa chọn cấu trúc cho hệ thống vision ................................................. 28
2.3.3 Lựa chọn phương thức giao tiếp giữa IPC và Robot ............................. 29
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................................. 31
3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống ............................................................. 31
3.2 Thiết kế hệ thống cơ khí .............................................................................. 32
3.2.1 Các thành phần của hệ thống ................................................................ 32
3.2.2 Robot Yaskawa Motoman UP6 ............................................................ 32
3.2.3 Tủ điều khiển XRC .............................................................................. 34
3.2.4 Camera ................................................................................................. 36
3.2.5 Laser .................................................................................................... 37
3.2.6 Bộ gá đặt hệ thống vision ..................................................................... 37
CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT XỬ LÝ ẢNH ............................................................ 39


vii

4.1 Quá trình hiệu chuẩn ................................................................................... 39
4.1.1 Phương pháp Laser Triangulation ......................................................... 39
4.1.2 Camera calibration ............................................................................... 43
4.1.2.1 Tìm ma trận thơng số nội ....................................................... 44
4.1.2.2 Tìm ma trận thơng số ngoại ................................................... 45
4.1.3 Camera – laser calibration .................................................................... 46
4.1.3.1 Tìm phương trình mặt phẳng laser ......................................... 46
4.1.3.2 Sai số calibration và cải thiện................................................. 48
4.2 Quá trình xử lý ảnh ...................................................................................... 50
4.2.1 Thu nhận vệt laser trong màn ảnh camera ............................................. 50
4.2.2 Chuyển đổi mức sáng hình ảnh............................................................. 51
4.2.3 Bộ lọc Gaussian ................................................................................... 52
4.2.4 Thuật toán Closing ............................................................................... 53
4.3 Xác định tọa độ 3D của mối hàn .................................................................. 54
4.3.1 Cài đặt vùng quan tâm .......................................................................... 54
4.3.2 Tìm tọa độ mối hàn trên màn ảnh ......................................................... 55
CHƯƠNG 5: TRUYỀN DỮ LIỆU TỌA ĐỘ CHO ROBOT ................................. 58
5.1 Cài đặt dữ liệu đầu Tool .............................................................................. 58
5.2 Cài đặt hệ tọa độ người dùng (User Coordinates) ........................................ 60
5.3 Xây dựng quỹ đạo và hướng di chuyển đầu hàn........................................... 61
5.4 Truyền dữ liệu từ IPC cho Robot hàn .......................................................... 63
5.5 Lập trình điều khiển Robot hàn ................................................................... 64
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT
TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................................................................... 67


viii

6.1 Kết quả thực nghiệm ................................................................................... 67
6.1.1 Hệ thống thực nghiệm .......................................................................... 67

6.1.2 Kết quả các quá trình hiệu chuẩn .......................................................... 67
6.1.2.1 Tìm ma trận thơng số nội ....................................................... 67
6.1.2.2 Tìm phương trình mặt phẳng laser ......................................... 68
6.1.2.3 Kết quả quá trình xử lý ảnh .................................................... 68
6.2 Kết luận ....................................................................................................... 69
6.2.1 Kết quả đạt được .................................................................................. 69
6.2.2 Hạn chế của đề tài ................................................................................ 70
6.2.3 Hướng phát triển đề tài ......................................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 71
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................................ 73


ix

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Người cơng nhân hàn làm việc trong mơi trường độc hại .......................... 3
Hình 1.2 Mối hàn giáp mối (a) và mối hàn góc (b) .................................................. 4
Hình 1.3 Các loại mối hàn góc................................................................................. 5
Hình 1.4 Một số liên kết hàn điển hình .................................................................... 5
Hình 1.5 Ứng dụng cánh tay robot công nghiệp vào nguyên công hàn ................... 10
Hình 1.6 Người cơng nhân lập trình chương trình cho robot hàn ........................... 10
Hình 1.7 Cảm biến laser camera hãng Servo-Robot tích hợp trên robot Yaskawa .. 12
Hình 1.8 Hệ thống robot tích hợp với cảm biến MotoSense của hãng Yaskawa ..... 12
Hình 1.9 Giao diện phần mềm dị tìm đường hàn của hệ thống MotoSense............ 13
Hình 1.10 Giao diện phần mềm dị tìm đường hàn bằng cảm biến laser Arc-Eye ... 13
Hình 1.11 Hãng DAIHEN cung cấp nhiều dịng cảm biến dị tìm đường hàn ......... 14
Hình 1.12 Các cánh tay máy phối hợp với nhau để lắp ghép ghế gỗ ...................... 15
Hình 1.13 Robot sử dụng cơng nghệ 3D cho ứng dụng khoan của nhóm CRI ........ 15
Hình 1.14 Robot gắp các vật dụng có hình dạng giống với hình người dùng chọn . 16
Hình 1.15 Mơ hình thử nghiệm quét vật thể 3D bị chìm một phần trong nước ....... 16

Hình 1.16 Tái cấu trúc bề mặt 3D ứng dụng trong công đoạn phun keo giày ......... 17
Hình 2.1 Tạo dựng đường hàn 3D bằng phương án stereo vision………………….20
Hình 2.2 Mơ hình dị đường hàn 3D dựa trên cảm biến stereo structured light ....... 22
Hình 2.3 Cấu trúc hệ thống dò đường hàn bằng hệ vision stereo structured light ... 22
Hình 2.4 Hệ thống thiết bị dị đường hàn laser vision ............................................ 24
Hình 2.5 Q trình: dò, hoạch định, thực thi đường hàn bằng một line laser .......... 25
Hình 2.6 Q trình: dị, hoạch định, thực thi đường hàn bằng ba line laser ............ 25
Hình 2.7 Nghiên cứu ứng dụng laser tròn để dò đường hàn ................................... 25


x

Hình 2.8 Tổng quan hệ thống ................................................................................ 27
Hình 2.9 Board máy tính nhúng EPIA-M840-16P ................................................. 28
Hình 2.10 Hệ thống vision được gắn cố định trên khâu cuối của robot .................. 29
Hình 3.1 Biểu đồ nhiệt độ của các điểm phía ngược hướng với hướng hàn……….31
Hình 3.2 Mơ phỏng nhiệt độ của các điểm phía ngược hướng với hướng hàn ........ 32
Hình 3.3 Tay máy Motoman UP6 .......................................................................... 33
Hình 3.4 Tủ điều khiển dịng XRC ........................................................................ 34
Hình 3.5 Các khối module chính trong tủ điều khiển XRC .................................... 34
Hình 3.6 Bảng điều khiển trên mặt tủ XRC ........................................................... 35
Hình 3.7 Bảng dạy điều khiển robot ...................................................................... 35
Hình 3.8 Camera Basler dịng ace .......................................................................... 36
Hình 3.9 Nguồn laser màu đỏ, 120 mW ................................................................. 37
Hình 3.10 Khoảng cách an tồn giữa hệ thống vision với đầu hàn ......................... 38
Hình 3.11 Sơ đồ tổng quan hệ thống ...................................................................... 38
Hình 3.12 Sơ đồ tổng quan hệ thống vision ........................................................... 38
Hình 4.1 Xác định chiều sâu mối hàn………………………………………………39
Hình 4.2 Mơ hình hệ thống cho thuật tốn Laser Triangulation ............................. 39
Hình 4.3 Mơ hình mơ tả ý nghĩa các thơng số camera ............................................ 44

Hình 4.4 Cơng cụ Camera Calibrator của MATLAB Computer Vision Toolbox ... 44
Hình 4.5 Hệ tọa độ của Checker Board .................................................................. 47
Hình 4.6 Checker Board chứa đường laser............................................................. 47
Hình 4.7 Đường thẳng laser được tạo thành từ các pixel rất nhỏ ............................ 49
Hình 4.8 Mình họa phương pháp bình phương tối thiểu (Least Square Method) .... 49
Hình 4.9 Vệt laser trên bề mặt vật thể hàn ............................................................. 51


xi

Hình 4.10 Kích thước phơi .................................................................................... 51
Hình 4.11 Vệt laser camera thu nhận được ............................................................ 52
Hình 4.12 Hình ảnh sau khi qua bước tiền xử lý ánh sáng...................................... 52
Hình 4.13 Hình ảnh sau khi qua bộ lọc Gaussian ................................................... 53
Hình 4.14 Minh họa thuật tốn đóng (Closing) ...................................................... 54
Hình 4.15 Hình ảnh sau khi xử lý bằng thuật tốn Closing .................................... 54
Hình 4.16 Dựng lại mặt phẳng chuẩn của vật thể ................................................... 55
Hình 4.17 Tìm tọa độ pixel đường biên của vệt laser ............................................. 55
Hình 4.18 Tìm tọa độ pixel đường tâm của vệt laser .............................................. 56
Hình 4.19 Tìm tọa độ pixel đường tâm của vệt laser .............................................. 56
Hình 4.20 So sánh phương án tìm vệt laser dựa vào đường tâm và sub-pixel ......... 57
Hình 5.1 Hệ tọa độ của khâu cuối Robot (Flange) và TCP…………………………58
Hình 5.2 Ví dụ cài đặt vị trí của hệ tọa độ TCP ...................................................... 58
Hình 5.3 Ví dụ cài đặt hướng của hệ tọa độ TCP ................................................... 59
Hình 5.4 Calib đầu tool robot ................................................................................ 60
Hình 5.5 Hệ User Coordinates ............................................................................... 60
Hình 5.6 Mặt cong cần hàn .................................................................................... 61
Hình 5.7 Truyền dữ liệu thực nghiệm qua thẻ nhớ ................................................. 64
Hình 5.8 Ví dụ chuyển động của TCP trong câu lệnh MOVL ................................ 65
Hình 6.1 Hệ thống thực nghiệm……………………………………………………67

Hình 6.2 Mẫu thử thực nghiệm .............................................................................. 67
Hình 6.3 Kết quả hiệu chuẩn ma trận thông số nội ................................................. 68
Hình 6.4 Ảnh Threshold của quá trình hiệu chuẩn ................................................. 68
Hình 6.5 Hình ảnh thực nghiệm ............................................................................. 69


xii

Hình 6.6 Quỹ đạo di chuyển của đầu tool .............................................................. 69


xiii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Chế độ hàn hồ quang điện cực nóng chảy, khí bảo vệ CO 2 ....................... 8
Bảng 1.2 Chế độ hàn tự động liên kết hàn góc, khí bảo vệ CO2 ............................... 8
Bảng 1.3 Chế độ hàn tự động liên kết hàn giáp mối, khí bảo vệ CO2 ....................... 8
Bảng 2.1 Bảng so sánh các phương thức thu nhận ảnh……………………...............27
Bảng 3.1 Một số thông số kĩ thuật cơ bản của tay máy Motoman UP6……………33
Bảng 3.2 Đặc tính kỹ thuật của camera acA3800-10gm ......................................... 36


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Nhu cầu thực tiễn của đề tài
Trong q trình gia cơng cơ khí, ngun cơng hàn là một trong những nguyên
công rất quan trọng và được sử dụng rất rộng rãi, phổ biến trong việc liên kết các chi
tiết lại với nhau. Công nghệ hàn là q trình cơng nghệ sản xuất các kết cấu khơng
tháo rời từ kim loại, hợp kim và các vật liệu khác bằng cách dùng nguồn nhiệt để

nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái hàn. Sau đó, kim loại lỏng tự kết tinh hoặc dùng
thêm ngoại lực ép chúng lại với nhau để tạo thành mối hàn. Hàn nóng là phổ biến
nhất có thể liên kết hầu hết các kim loại, phi kim, kể kim loại và hợp kim không đồng
nhất. Nguyên lý chung của hàn nóng là dùng nhiệt để làm nóng chảy kim loại cơ bản
hay kim loại bổ sung ở chỗ mối hàn, sau đó để cho kim loại lỏng nguội, đông đặc và
kết tinh tạo thành mối liên kết hai hay nhiều chi tiết lại với nhau thành một khối bền
vững.
Cơng nghệ hàn có nhiều ưu điểm và được ứng dụng rộng rãi trong quá trình chế
tạo:
-

Các kết cấu phức tạp, siêu trường, siêu trọng; có thể nối được các kim loại có
tính chất khác nhau; tạo được các chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp.

-

Có độ bền cao, kín đáp ứng u cầu làm việc của các kết cấu quan trọng như vỏ
tàu, bồn bể, nồi hơi, thiết bị áp lực, … .

-

Tiêu tốn ít kim loại, giảm chi phí và rút ngắn thời gian sản xuất so với các
nguyên công khác. Với cùng khả năng làm việc, so với các phương pháp nối
ghép khác (bằng bulong, đinh tán…) kết cấu hàn cho phép tiết kiệm từ 10 ÷
20% khối lượng kim loại. So với đúc, hàn có thể tiết kiệm được tới 50% khối
lượng kim loại.

-

Hàn có tính linh hoạt và năng suất cao so với các công nghệ khác, dễ cơ khí hóa,

tự động hóa q trình sản xuất.

-

Mức độ đầu tư cho sản xuất hàn không cao.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN


2

Tuy nhiên, do trong quá trình hàn, vật liệu chịu tác động của nguồn nhiệt có
cơng suất lớn, tập trung và trong một thời gian ngắn, nên kết cấu hàn thường có những
nhược điểm sau:
-

Tổ chức và tính chất của kim loại tại vùng mối hàn và khu vực lân cận có thể
thay đổi theo chiều hướng xấu, làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, đặc biệt
khi làm việc dưới tác dụng của tải trọng động, tải trọng biến đổi theo chu kỳ …

-

Trong kết cấu hàn thường tồn tại ứng suất và biến dạng dư, ảnh hưởng đến hình
dáng, kích thước, tính thẩm mỹ và khả năng làm việc của sản phẩm.

-

Ngun cơng hàn cũng có độ chính xác thấp, chi tiết hàn dễ bị cong, vênh.

-

Một hạn chế lớn nữa của nguyên công hàn là môi trường làm việc độc hại do
nhiệt độ tia lửa điện rất cao trên 30000C, tia lửa hàn cịn có chứa tia UV có bước
sóng 315 mm, khói hàn chứa khí He, Ar, CO2… là nguyên nhân gây nên các
bệnh về da, mắt (viêm giác mạc), gây tổn thương đường hô hấp (ung thư phổi,
ung thư thanh quản), ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của người công nhân vận
hành.
Những ảnh hưởng của quá trình hàn đối với người vận hành:
Các bệnh về mắt: tia lửa hàn có thể gây ra các bệnh về mắt, mắt rất dễ bị tổn

thương khi tiếp xúc với nguồn sáng quá mạnh đến từ ánh sáng hồ quang. Việc thường
xuyên nhìn vào tia lửa của que hàn sẽ khiến mắt bị tổn thương dẫn đến viêm giác mạc
do trong ánh sáng tia lửa hàn có chứa tia UV có bước sóng 315mm, khi nhìn q lâu
vào sẽ khiến cho mắt bị nhiễm độc. Ngoài ra trong tia lửa hàn cịn chứa bức xạ và
nhiệt có thể gây ra bệnh viêm quang – giác mạc.
Gây bệnh về đường hô hấp: Khi que hàn cháy, sinh ra nhiều khí độc hại như khí
cacbonic, bụi silic, bụi măng gan, bụi oxit kẽm…Nếu hít phải các loại bụi này sẽ gây
độc hại cho hệ hô hấp và sức khỏe của người thợ hàn hoặc thợ đứng máy vận hành
thực hiện nguyên công.
Gây bỏng da: Khi hàn, các tia lửa hàn bắn ra kèm theo là kim loại lỏng ở nhiệt
độ cao có thể gây bỏng da cho thợ hàn và những người xung quanh đó.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN


3

Hình 1.1 Người cơng nhân hàn làm việc trong mơi trường độc hại
Mặc dù vẫn còn những hạn chế nhất định, nhưng với tính kinh tế - kỹ thuật cao,
cơng nghệ hàn ngày càng được phát triển, và đang được quan tâm nghiên cứu, phát

triển hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp.
Đặc biệt, trong q trình cơng nghiệp hóa phát triển mạnh mẽ như hiện nay, việc sử
dụng máy móc, robot thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại ngày
càng phổ biến. Điều đó khơng những giải phóng sức lao động và bảo đảm sức khỏe
cho con người mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, rút ngắn thời gian gia cơng,
qua đó có thể giảm giá thành sản phẩm, nâng cao sức cạnh tranh cho doanh nghiệp.
1.2 Phương pháp hàn được tích hợp trên cánh tay robot
1.2.1 Các phương pháp hàn phổ biến
Có nhiều cách phân loại phương pháp hàn, cách phân chia phổ biến nhất là theo
dạng năng lượng sử dụng và theo trạng thái kim loại mối hàn tại thời điểm hàn.
Căn cứ vào dạng năng lượng sử dụng, ta chia thành các nhóm sau:
- Các phương pháp hàn điện: dùng điện năng biến thành nhiệt năng để cung cấp
cho quá trình hàn.
- Các phương pháp hàn cơ học: sử dụng cơ năng để làm biến dạng kim loại tại
khu vực cần hàn và tạo ra liên kết hàn.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN


4

- Các phương pháp hàn hóa học: sử dụng năng lượng do các phản ứng hóa học
tạo ra để cung cấp cho quá trình hàn
- Các phương pháp kết hợp: kết hợp các dạng năng lượng nêu trên.
Theo trạng thái của kim loại mối hàn tại thời điểm hàn người ta chia các phương
pháp hàn thành hai nhóm: hàn nóng chảy và hàn áp lực.
- Hàn nóng chảy: hàn khí, hàn điện xỉ, hàn hồ quang, hàn laze, hàn plasma, hàn
chùm tia điện tử, hàn hóa nhiệt.
- Hàn áp lực: hàn siêu âm, hàn nổ, hàn nguội, hàn điện tiếp xúc, hàn ma sát, hàn
khuếch tán, hàn cao tần, hàn rèn, hàn khí ép.

Theo hình dạng mặt cắt ngang, người ta phân biệt các mối hàn thành hai loại:
mối hàn giáp mối (giáp mép, đối đầu), và mối hàn góc.

Hình 1.2 Mối hàn giáp mối (a) và mối hàn góc (b)
Mối hàn giáp mối: được đặc trưng bằng các kích thước, chiều rộng b, chiều cao
h , chiều cao phần nhơ e. Hình dạng của mối hàn giáp mối được coi là hợp lý khi tỷ
số

b
b
(hệ số ngấu) có giá trị từ 0.8 ÷ 4, cịn tỉ số (hệ số hình dạng) dao động trong
h
e

khoảng 7 ÷ 10.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN


5

Mối hàn góc: thường được coi là mối hàn mà tiết diện ngang có dạng là một tam
giác vng cân cạnh là K. Do nhiều yếu tố công nghệ và kỹ thuật thực hiện mà mối
hàn góc có thể có các dạng bề mặt khác nhau.

Hình 1.3 Các loại mối hàn góc
a) Mối hàn góc có bề mặt phẳng;
c) Mối hàn góc có bề mặt lõm;

b) Mối hàn góc có bề mặt lồi

d) Mối hàn góc khơng đều cạnh có bề mặt phẳng

Trên cơ sở mối hàn giáp mối và mối hàn góc người ta có thể tạo ra các loại liên
kết hàn khác nhau.

a)

b)

c)

d)

Hình 1.4 Một số liên kết hàn điển hình
a) Liên kết hàn giáp mối;
c) Liên kết hàn góc;

b) Liên kết hàn chồng;
d) Liên kết hàn chữ T

Trong các phương pháp hàn đã giới thiệu ở trên thì hàn hồ quang, hàn khí, hàn
hồ quang dưới lớp thuốc và trong mơi trường khí bảo vệ được ứng dụng phổ biến
nhất ở nước ta. Riêng đối với ứng dụng cánh tay robot vào nguyên công hàn (hàn tự
động), tùy vào từng mục đích sử dụng mà ta chọn khác nhau về các đầu hàn như hàn
tig, hàn dây, hàn điểm, hàn laze… Trong đó đầu hàn hồ quang bằng dây hàn có lớp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

6

khí bảo vệ là phổ biến và thơng dụng nhất cho ứng dụng hàn tự động trên cánh tay
robot công nghiệp.
1.2.2 Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ là q trình
hàn nóng chảy trong đó nguồn hàn được cung cấp bởi hồ quang tạo ra giữa điện cực
nóng chảy (dây hàn) và vật hàn; hồ quang và kim loại nóng chảy được bảo vệ khỏi
tác dụng của ôxi và nitơ trong mơi trường xung quanh bởi khí bảo vệ.
Khí bảo vệ có thể là khí trơ (Ar, He hoặc hỗn hợp Ar + He) không tác dụng với
kim loại lỏng trong khi hàn, còn được gọi là phương pháp hàn MIG (Metal Inert Gas)
hoặc là các loại khí hoạt tính (CO2; CO2 + O2; CO2 + Ar…) có tác dụng chiếm chỗ
và đẩy khơng khí ra khỏi vùng hàn để hạn chế tác động xấu của nó đến cơ tính của
mối hàn, còn được gọi là phương pháp hàn MAG (Metal Active Gas).
Vì các loại khí trơ có giá thành cao nên không được ứng dụng rộng rãi, chỉ dùng
để hàn kim loại màu và thép hợp kim. Phương pháp hàn MAG sử dụng khí bảo vệ
CO2 được ứng dụng rộng rãi dó có rất nhiều ưu điểm:
-

CO2 là loại khí dễ kiếm, dễ sản xuất và giá thành thấp.

-

Năng suất hàn trong CO2 cao gấp 2.5 lần so với hàn hồ quang tay.

-

Tính cơng nghệ của hàn trong CO2 cao hơn so với hàn hồ quang dưới lớp thuốc
vì có thể tiến hành ở mọi vị trí khơng gian khác nhau.

-

Chất lượng hàn cao. Sản phẩm hàn ít bị cong vênh do tốc độ cao, nguồn nhiệt
tập trung, hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, vùng ảnh hưởng nhiệt hẹp.

-

Điều kiện lao động tốt hơn so với hàn hồ quang tay.
Phạm vi ứng dụng:

-

Hàn được các loại thép kết cấu thơng thường, thép khơng gỉ, thép chịu nhiệt,
thép bền nóng, các hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, kẽm, đồng, các hợp
kim có ái lực hóa học mạnh với oxi.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN


7

-

Phương pháp hàn này có thể sử dụng được ở mọi vị trí trong khơng gian. Chiều
dày vật hàn từ 0.4 ÷ 4.8 mm thì chỉ cần hàn một lớp mà khơng cần vát mép, từ
1.6 ÷ 10 mm – hàn một lớp có vát mép, cịn từ 3.2 ÷ 25 mm thì hàn nhiều lớp.
Cơng nghệ hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong mơi trường khí bảo vệ:

-

Dây hàn: khi hàn MAG thường sử dụng dây hàn có đường kính từ 0.8 đến 2.4
mm.

-

Khí bảo vệ:
+ Khí Ar tinh khiết (~100%) thường được dùng để hàn kim loại màu.
+ Khí He tinh khiết (~100%) thường được dùng để hàn các liên kết có kích

thước lớn với các vật liệu có tính dẫn nhiệt cao như Al, Mg, Cu,…
+ CO2 được dùng rộng rãi để hàn thép cacbon và thép hợp kim thấp, do giá
thành thấp, mối hàn ổn định, cơ tính của liên kết hàn đạt yêu cầu, tốc độ hàn cao và
độ ngấu sâu. Nhược điểm của hàn trong khí bảo vệ CO2 là gây bắn tóe kim loại lỏng.
-

Chế độ hàn:
+ Dòng điện hàn: được chọn phụ thuộc vào kích thước điện cực (dây hàn) dạng

truyền kim loại lỏng và chiều dày của liên kết hàn.
+ Điệp áp hàn: đây là thông số rất quan trọng trong hàn GMAW, quyết định
dạng truyền kim loại lỏng. Điện áp hàn sử dụng phụ thuộc vào chiều dày chi tiết hàn,
kiểu liên kết, kích cỡ và thành phần điện cực, thành phần khí bảo vệ, vị trí hàn… Để
có được giá trị điện áp hàn hợp lý, có thể phải hàn thử vài lần, bắt đầu bằng giá trị
điện áp hồ quang theo tính tốn hay tra bảng, sau đó tăng hoặc giảm theo quan sát
trên đường hàn để điều chỉnh giá trị điện áp thích hợp.
+ Tốc độ hàn: tốc độ hàn quyết định chiều sâu ngấu của mối hàn. Nếu tốc độ
hàn thấp, kích thước vũng hàn sẽ lớn và ngấu sâu. Khi tăng tốc độ hàn, tốc độ cấp
nhiệt của hồ quang sẽ giảm, làm giảm độ ngấu và thu hẹp đường hàn.
+ Góc nghiêng: thường nghiêng khoảng 10 ÷ 200 so với chiều thẳng đứng [1].

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN


8

Bảng 1.1 Chế độ hàn hồ quang điện cực nóng chảy, khí bảo vệ CO2
Thơng số hàn
Dịng hàn (A)
Điện áp hồ
quang (V)

0.5
30 100
18 20

0.8
50 150
18 22

Đường kính dây hàn (mm)
1.0
1.2
1.4
1.6
60 90 - 100 - 120 180
140
500
550
18 18 18 19 24
42

45
46

2.0
200 600
23 40

2.5
250 700
24 42

Bảng 1.2 Chế độ hàn tự động liên kết hàn góc, khí bảo vệ CO2
Chiều
dày tấm
(mm)

Đường
kính dây
hàn
(mm)

Cạnh mối
góc hàn
(mm)

Số
lớp
hàn
(mm)

Dịng điện
hàn (A)

Điện áp
hàn (V)

Tốc độ
hàn (m/h)

1 – 1.3

0.5

1.0 – 1.2

1

50 – 60

18 – 20

18 – 20

1 – 1.3

0.6

1.2 – 2.0

1

60 – 70

18 – 20

18 – 20

1.5 – 2.0

0.8

1.2 – 3.0

1

60 – 120

18 – 20

16 – 20

1.5 – 3.0

1.0

1.5 – 3.0

1

75 – 150

18 – 20

16 – 20

1.5 – 4.0

1.2

2.0 – 4.0

1

90 – 180

20 – 20

14 – 20

3.0 – 4.0

1.4

3.0 – 4.0

1

150 – 250

21 – 28

20 – 28

5.0 – 6.0

1.6

5.0 – 6.0

1

230- 360

26 – 35

26 – 35

5.0 – 6.0

2.0

5.0 – 6.0

1

250 – 380

27 – 36

28 – 36

Không
nhỏ hơn
cạnh mối
hàn

2.0

7.0 – 9.0

1

320 – 380

30 – 35

20 – 25

2.0

9.0 – 11.0

2

320 – 380

30 – 38

24 – 28

2.0

11.0 – 13.0

3

320 – 380

30 – 38

24 – 28

2.0

13.0 – 15.0

4

320 - 380

30 – 38

24 – 28

Bảng 1.3 Chế độ hàn tự động liên kết hàn giáp mối, khí bảo vệ CO2
Chiều dày
tấm (mm)

Đường
kính dây

hàn (mm)

Khe hở
hàn
(mm)

Số lớp
hàn
(mm)

Dòng điện
hàn (A)

Điện áp
hàn (V)

Tốc độ
hàn (m/h)

0.6 – 1.0

0.5 – 0.8

0.5 – 0.8

1

50 – 60

18 – 20

20 – 30

1.2 – 2.0

0.8 – 1.0

0.8 – 1.0

1–2

70 – 120

18 – 21

18 – 25

3.0 – 5.0

1.4 – 2.0

1.6 – 2.2

1–2

280 – 320

22 – 39

20 – 25

6.0 – 8.0

2.0

1.8 – 2.2

1–2

280 – 380

28 – 35

18 – 24

8.0 – 12.0

2.5

1.8 – 2.2

2–3

280 – 450

27 – 35

16 – 30

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

9

Trong nền cơng nghiệp hiện đại, hàn hồ quang nóng chảy trong mơi trường khí
bảo vệ chiếm một vị trí rất quan trọng. Nó khơng những có thể hàn các loại thép kết
cấu thơng thường, mà cịn có thể hàn các loại thép khơng gỉ, thép chịu nhiệt, thép bền
nóng, các hợp kim đặc biệt, các hợp kim nhôm, niken, đồng. Phương pháp hàn này
có thể sử dụng được ở mọi vị trí trong khơng gian. Chiều dày vật hàn từ 0.4 ÷ 0.8 mm
thì chỉ cần hàn một lớp mà khơng phải vát mép, từ 1.6 ÷ 10 mm – hàn một lớp có vát
mép, cịn từ 3.2 ÷ 25 mm thì hàn nhiều lớp.
1.3 Ứng dụng cánh tay robot thông minh vào nguyên công hàn
Ngày nay, các robot thương mại và robot công nghiệp được sử dụng phổ biến
để thực hiện các cơng việc chính xác và đáng tin cậy hơn con người. Các robot cũng
được sử dụng thay thế cho con người làm việc trong các môi trường ơ nhiễm, nguy
hiểm hoặc các cơng việc có tính lặp đi lặp lại – đơn điệu. Trong công nghiệp, robot
sử dụng phổ biến cho các ứng dụng lắp ráp, đóng gói sản phẩm hay vận chuyển hàng
hóa trong các dây chuyền sản xuất hàng loạt. Đối với quá trình gia cơng sản xuất nói
chung và ngun cơng hàn nói riêng thì dạng robot được sử dụng nhiều nhất là cánh
tay robot cơng nghiệp, bởi vì cánh tay robot có khả năng di chuyển linh hoạt, tốc độ
di chuyển nhanh, độ chính xác cao nên phổ biến hơn cả. Hơn nữa hiện nay, tất cả các
hãng cánh tay robot công nghiệp lớn trên thế giới như ABB, Motoman, Kuka, Fanuc,
OTC Daihen… đều có các dịng sản phẩm robot chun dùng cho chức năng hàn.
Điều đó tạo nên sự tiện lợi và dễ dàng cho người vận hành robot. Cánh tay robot hàn
mang lại rất nhiều lợi ích như tăng năng suất; nâng cao độ chính xác, chất lượng mối
hàn; ứng dụng linh hoạt về sản phẩm hàn, biên dạng hàn, hạn chế con người làm việc
trong môi trường độc hại.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN