Luận văn Thiết kế - Chế tạo thử nghiệm robot hàn tự động nhận diện mối hàn (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Thiết kế - Chế tạo thử nghiệm robot hàn tự động nhận diện mối hàn (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM MẠNH TRƯỜNG THIẾT KẾ - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG NHẬNS K C 0 0 3 DIỆN9 5 9 MỐI HÀN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 3 4 5 8 Tp. Hồ Chí Minh, 2011
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM MẠNH TRƯỜNG THIẾT KẾ - CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10(2011
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Phạm Mạnh Trường Giới tính: Nam. Ngày, tháng, năm sinh: 07 - 12 - 1986 Nơi sinh: Nam Định. Quê quán: Trực Ninh – Nam Định. Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khu tập thể gia đình Vùng 4 Hải Quân, Cam Nghĩa – Cam Ranh – Khánh Hòa. Điện thoại cơ quan: Điện thoại riêng: 0987627880 Fax: E-mail: mtruong712@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09 / 2004 đến 02/ 2009. Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật. TPHCM. Ngành học: Cơ khí chế tạo máy. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 1/2009 tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật. TPHCM. Người hướng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 4/2009 đến Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Giảng viên nay. Thắng i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Mạnh Trường ii
5. LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu trong chương trình đào tạo sau đại học của trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM, em đã tiếp thu và đúc kết được nhiều kiến thức bổ ích cho chuyên môn của mình. Với đề tài nghiên cứu dưới hình thức luận văn thạc sỹ, em đã vận dụng những kiến thức đã được học của mình để giải quyết một vấn đề thực tế. Đề tài nghiên cứu và giải quyết vấn đề mới trong lĩnh vực hàn tự động, vì lần đầu tiên tiếp xúc nên em gặp rất nhiều khó khăn. Với sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn TS. Lê Chí Cương cùng với sự hỗ trợ của gia đình, bạn bè. Cho đến thời điểm này luận văn của em đã đạt được những kết quả như mong muốn. Đến đây, cho phép em gửi lời cảm ơn chân thành đến: - Ban Giám Hiệu trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM. - Thầy TS. Lê Chí Cương – Khoa Cơ khí chế tạo máy - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM. - Quý thầy cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP. HCM. - Quý thầy cô ở phòng đào tạo và quý thầy cô ở các khoa khác – Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP. HCM - Gia đình, bạn bè. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên quý báu của tất cả mọi người. Xin trân trọng cảm ơn Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2011 Học viên thực hiện luận văn iii
6. TÓM TẮT Nội dung chính của luận văn là thiết kế - chế tạo thử nghiệm mô hình robot hàn tự động nhận diện mối hàn để hàn các đường cong trong mặt phẳng nằm ngang. Nôi dung gồm: Chương 1: Trình bày tổng quan về robot hàn: lịch sử phát triển của ngành hàn, ứng dụng của robot hàn trong sản xuất, các dạng robot hàn, tình hình nghiên cứu ở trong và ngoài nước, mục tiêu nghiên cứu của luận văn. Chương 2: Trình bày về phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc. Chương 3: Trình bày cấu trúc phần cứng của robot. Chương 4: Trình bày giải pháp nhận biết đường hàn và điều khiển đầu hàn. Chương 5: Trình bày bộ điều khiển của robot Chương 6: Trình bày việc thử nghiệm robot và đánh giá kết quả đạt được. Chương 7: Kết luận về các vấn đề đã giải quyết, các vấn đề còn tồn đọng và hướng phát triển của luận văn. iv
7. ABSTRACT The main content of essay tends to design – make a prototype of welding mobile robot automatic recognize the welding track to weld curve in horizontal plane. The content includes: Chapter 1: This chapter shows general of welding robot: history and development of welding, using of welding robot in manufacture, type of welding robot, problems concerned in the research of welding robot in Viet Nam and other countries, objective of essay. Chapter 2: This chapter shows the method Submerged Arc Welding. Chapter 3: This chapter shows the hardware of robot. Chapter 4: This chapter shows the way to recognize the welding track and control welding torch. Chapter 5: This chapter shows control robot. Chapter 6: This chapter shows the results of research and comment about the result. Chapter 7: Sumary of essay. v
8. MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách các hình x Danh sách các bảng xvi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LĨNH ROBOT HÀN 1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN. 1 1.2. ROBOT HÀN. 3 1.2.1. Ứng dụng của robot hàn trong sản xuất 3 1.2.2. Các dạng Robot hàn 5 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU. 8 1.4. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 25 1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu 25 1.4.2. Giới hạn của đề tài 26 CHƯƠNG 2. HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 27 2.1. LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN 27 2.1.1. Sự tạo thành mối hàn 27 2.1.2. Tổ chức kim loại của mối hàn 30 2.2. KHÁI NIỆM 31 2.3. THIẾT BỊ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC 32 2.4. VẬT LIỆU HÀN 35 2.4.1. Dây hàn 35 2.4.2. Thuốc hàn 36 2.5. KỸ THUẬT HÀN 37 vi
9. 2.5.1. Mồi hồ quang 37 2.5.2. Ngắt hồ quang 39 2.5.3. Kỹ thuật lót 39 2.5.4. Hàn giáp mối 41 2.6. HÌNH DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC MỐI HÀN 44 2.6.1. Ảnh hưởng của chế độ hàn 44 2.6.2. Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ 47 2.6.3. Ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu 51 CHƯƠNG 3. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT 53 3.1. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT HÀN TỰ HÀNH 53 3.1.1. Dạng 1: Robot hàn tự hành dùng để hàn góc không có bộ phận tạo quỹ đạo công nghệ hàn 53 3.1.2. Dạng 2: Robot hàn tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn góc 53 3.1.3. Dạng thứ 3: Robot hàn tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn góc có ray dẫn hướng 54 3.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ KHÔNG GIAN CHO ROBOT 55 3.2.1. Phương án 1 55 3.2.2. Phương án 2 56 3.2.3. Phương án 3 57 3.2.4. Phương án 4 58 3.2.5. Phương án 5 58 3.2.6. Lựa chọn phương án phù hợp nhất 59 3.3. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT 60 3.3.1. Module ray dẫn hướng 61 3.3.2. Thân robot `63 3.3.3. Module trượt gắn cảm biến dò đường hàn 64 3.3.4. Module trượt gắn đầu hàn 75 3.4. QUỸ ĐẠO CÔNG NGHỆ HÀN 79 3.4.1. Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn 79 vii
10. 3.4.2. Các phương pháp tạo ra quỹ đạo chuyển động công nghệ hàn 80 3.4.3. Giải pháp tạo quỹ đạo công nghệ hàn cho robot 82 CHƯƠNG 4. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN 82 4.1. PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT ĐƯỜNG HÀN Ở CÁC ĐỀ TÀI TRƯỚC 85 4.1.1. Nhận biết bằng phương pháp dò theo vách đứng khi hàn góc: 85 4.1.2. Tạo vết dẫn đường để điều khiển đường đi của robot theo đường hàn: 86 4.1.3. Lấy mẫu điểm trên đường hàn với công cụ lập trình Teach Pendant: 87 4.1.4. Nhận biết các điểm mép của đường hàn dùng cảm biến quang: 89 4.2. PHƯƠNG PHÁP NHẬN BIẾT MÉP HÀN 90 4.2.1. Phân tích cấu tạo đường hàn 90 4.2.2. Các phương án nhận biết các điểm mép đường hàn 92 4.3. CÁC PHƯƠNG ÁN NHẬN BIẾT ĐƯỜNG HÀN 95 4.3.1. Các phương án 95 4.3.2. Lựa chọn phương án tối ưu 103 4.3. THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐẦU HÀN 104 CHƯƠNG 5. BỘ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT 110 5.1. SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN ROBOT 110 5.1.1. DC Motor 110 5.1.2. Mạch công suất H – Bridge 112 5.1.3. Bộ điều khiển PID tốc độ, vị trí cho DC motor 114 5.1.4. Cảm biến quang E3X-DA-S 120 5.1.6. Vi điều khiển ATmega128 123 5.2. MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ROBOT 124 CHƯƠNG 6. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 128 6.1. THỬ NGHIỆM 128 6.2. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 131 viii
11. CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN 132 7.1. TÓM TẮT 132 7.2. NHỮNG CÔNG VIỆC ĐÃ THỰC HIỆN ĐƯỢC 132 7.3. NHỮNG HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 132 PHỤ LỤC 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 157 ix
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1. Các phương pháp hàn 2 Hình 1.2. Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 4 Hình 1.3. Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC 4 Hình 1.4. Tay máy 6 bậc tự do 5 Hình 1.5. Đầu hàn MIG/MAG có ly hợp chống va đập 6 Hình 1.6. Robot hàn với ray trượt nằm ngang 6 Hình 1.7. Robot hàn với ray trượt trên trần và trên vách 7 Hình 1.8. Robot hàn ray trượt đứng và ray trượt cong của hãng Bug-O 7 Hình 1.9. Robot hàn tự hành hoàn toàn tự động 8 Hình 1.10. Robot hàn của hãng ABB 8 Hình 1.11. Robot hàn tự hành của hãng Ishimatsu 9 Hình 1.12. Robot hàn cắt tự hành của hãng Bug-O 9 Hình 1.13. Các đơn vị chính của hệ thống hàn đa cảm biến 10 Hình 1.14. Cấu hình của bộ điều khiển nhúng cho các robot hàn di động 'RRX3' 11 Hình 1.15. Sơ đồ khối của hệ thống 11 Hình 1.16. Cảm biến thị giác 12 Hình 1.17. Cấu trúc của robot hàn ống của đề tài 13 Hình 1.18. Đường hàn hình chữ nhật (RWL) 14 Hình 1.19. Mô hình nguyên lý của Robot 14 Hình 1.20. Mô hình thực tế của robot 15 Hình 1.21. Mô hình nguyên lý của robot hàn di động dùng để hàn góc 16 Hình 1.22. Mô hình thực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc 17 Hình 1.23. Robot gỡ xỉ hàn của đề tài 17 Hình 1.24. Hình ảnh các robot của đề tài 19 Hình 1.25. Sơ đồ cấu trúc của robot hàn 20 Hình 1.26. Nguyên lý hoạt động của robot 21 x
13. Hình 1.27. Mối tương quan giữa quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ 22 Hình 1.28. Robot han Panasonic AW 7000 22 Hình 1.29. Robot hàn Almega AX-V6 23 Hình 1.30. Sản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận văn đang hàn thử nghiệm trên sàn bằng tôn 24 Hình 1.31. Hình ảnh Robot của đề tài 25 Hình 1.32. Giới hạn đường cong hàn của đề tài 26 Hình 2.1. Mối nối hàn 27 Hình 2.2. Bể hàn 28 Hình 2.3. Hình dạng và kích thước của bể hàn 28 Hình 2.4. Tác dụng của lực từ trường ép lên que hàn 29 Hình 2.5. Tổ chức kim loại của mối hàn 30 Hình 2.6. Nguyên lý quá trình hàn hồ quang dưới lớp thuốc 31 Hình 2.7. Các khả năng chuyển động của đầu hàn tự động trên xe tự hành 33 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý xe hàn vạn năng 34 Hình 2.9. Thiết bị hàn tự động dưới lớp thuốc 35 Hình 2.10. Bột sắt hoặc phoi thép 38 Hình 2.11. Cắt vát đầu dây hàn 39 Hình 2.12. Hàn lót để hàn SAW 40 Hình 2.13. (A) Hàn giáp mối rãnh V, (B) hàn giáp mối vuông 40 Hình 2.14. Lót bằng thuốc hàn 40 Hình 2.15. Lót bằng gốm 41 Hình 2.16. Tấm lót thép để hàn giáp mối tấm mỏng 42 Hình 2.17. Hàn hai phía tấm dày 19 ÷ 25.4mm 42 Hình 2.18. Hàn hai phía tấm dày 32 ÷ 38 mm 43 Hình 2.19. Các kích thước đặc trưng của mối hàn 44 Hình 2.20. Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo cường độ dòng điện hàn 45 Hình 2.21. Sự thay đổi hình dạng mối hàn và mức tiêu thụ thuốc hàn theo điện áp hàn 46 xi
14. Hình 2.22. Sự thay đổi hình dạng mối hàn theo tiết diện điện cực 46 Hình 2.23. Ảnh hưởng của tốc độ hàn 47 Hình 2.24. Góc nghiêng dây hàn và ảnh hưởng của góc nghiêng về phía trước lên hình dạng mối hàn 48 Hình 2.25. Góc nghiêng vật hàn và hình dạng mối hàn 49 Hình 2.26. Vị trí dây hàn khi hàn các mối hàn vòng đường kính nhỏ và cường độ dòng điện hàn tối đa 50 Hình 2.27. Ảnh hưởng cực tính dòng hàn 50 Hình 2.28. Độ nhú điện cực 51 Hình 2.29. Ảnh hưởng của góc rãnh hàn và khe đáy lên hình dạng mối hàn 51 Hình 3.1. Robot hàn góc của hãng Koile (Nhật) 53 Hình 3.2. Robot hàn tự hành dùng hàn phẳng và góc của Bug-O 54 Hình 3.3. Robot hàn tự hành dùng hàn đứng của Bug-O 55 Hình 3.4. Phương án 1 56 Hình 3.5. Phương án 2 57 Hình 3.6. Phương án 3 57 Hình 3.7. Phương án 4 58 Hình 3.8. Phương án 5 59 Hình 3.9. Phương án truyền động của robot 60 Hình 3.10. Mô hình tổng thể của robot 61 Hình 3.11. Mô hình 3D của thanh trượt bi dùng làm ray dẫn hướng 62 Hình 3.12. Các hình chiếu của thanh trượt và con trượt 62 Hình 3.13. Gắn 2 thanh trượt và thanh răng trên khung gá 63 Hình 3.14. Kích thước khung gá 63 Hình 3.15. Thân robot 64 Hình 3.16. Chuyển động song phẳng 64 Hình 3.17. Mô hình bài toán chuyển động song phẳng 65 Hình 3.18. Xác định tâm quay tức thời 66 xii
15. Hình 3.19. Puly 3 tầng 68 Hình 3.20. Nguyên tắc thay đổi tâm quay tức thời 69 Hình 3.21. Sơ đồ hoạt động của cơ cấu 69 Hình 3.22. Mô hình cơ cấu đảo chiều bằng thay đổi tâm quay tức thời 70 Hình 3.23. Module trượt gắn cảm biến dò đường hàn 71 Hình 3.24. Bộ vitme – đai ốc bi 71 Hình 3.25. Ổ bi đỡ 72 Hình 3.26. Khớp nối trục 73 Hình 3.27. Module trượt gắn lên thân robot 74 Hình 3.28. Hình ảnh thực tế của module trượt 74 Hình 3.29. Mô hình 3D của module 75 Hình 3.30. Thanh trượt bi gắn đầu hàn 76 Hình 3.31. Bộ điều chỉnh cao độ của đầu hàn 76 Hình 3.32. Module trượt gắn đầu hàn lắp lên thân robot 77 Hình 3.33. Module trượt gắn đầu hàn 77 Hình 3.34. Hình ảnh thực tế của module trượt gắn đầu hàn MIG 78 Hình 3.35. Kết cấu thiết kế hoàn chỉnh của robot 78 Hình 3.36. Kết cấu hoàn chỉnh thực tế của robot 79 Hình 3.37. Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn 79 Hình 3.38. Các dạng quỹ đạo công nghệ hàn khác 80 Hình 3.39. Phương pháp gắn cơ cấu phụ tạo quỹ đạo công nghệ hàn 80 Hình 3.40. Robot hàn có gắn bộ phận tạo qũy đạo công nghệ của Bug-O 81 Hình 3.41. Qũy đạo công nghệ hàn được tạo ra do kết hợp chuyển động của các khớp 82 Hình 3.42. Tạo quỹ đạo zigzag bằng cách phối hợp các chuyển động của robot 83 Hình 3.43. Tạo quỹ đạo zigzag bằng cách lắc đuốc hàn 83 Hình 3.44. Tạo quỹ đạo zigzag bằng nguyên lý tay quay con trượt 84 Hình 4.1. Mô hình thực tế của robot hàn di động dùng để hàn góc 85 Hình 4.2. Sơ đồ cấu trúc của robot hàn 86 xiii
16. Hình 4.3. Nguyên lý hoạt động của robot 87 Hình 4.4. Teach pendant của hai công ty Kawasaki và Panasonic - Nhật Bản 88 Hình 4.5. Mối tương quan giữa quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo công nghệ 88 Hình 4.6. Robot han Panasonic AW 7000 89 Hình 4.7. Sản phẩm robot hàn trong mặt phẳng ngang của đề tài luận văn đang hàn thử nghiệm trên sàn bằng tôn 89 Hình 4.8. Hình ảnh Robot của đề tài 90 Hình 4.9. Mặt cắt của đường hàn vát mép chữ V 91 Hình 4.10. Đường hàn không vát mép 91 Hình 4.11. Đường hàn không vát mép 91 Hình 4.12. PA1 – Đầu dò di chuyển qua phải 92 Hình 4.13. PA1 – Đầu dò di chuyển qua trái 93 Hình 4.14. PA2 – Đầu dò di chuyển qua trái 94 Hình 4.15. PA2 – Đầu dò di chuyển qua phải 94 Hình 4.16. Nguyên lý dò đối với đường hàn không vát mép 95 Hình 4.17. Phương án 1 95 Hình 4.18. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 1 của đầu hàn 96 Hình 4.19. Phương án 2 97 Hình 4.20. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 2 của đầu hàn 98 Hình 4.21. Phương án 3 98 Hình 4.22. Chuyển động của đầu dò ở PA 3 99 Hình 4.23. Quỹ đạo gấp khúc ở PA3 của đầu hàn 99 Hình 4.24. Phương án 4 100 Hình 4.25. Chuyển động của đầu dò ở PA 4 100 Hình 4.26. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 4 của đầu hàn 101 Hình 4.27. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 5 của đầu hàn 102 Hình 4.28. Quỹ đạo gấp khúc ở PA 6 của đầu hàn 102 Hình 4.29. Vị trí Home 105 Hình 4.30. Tọa độ các đỉnh gấp khúc của đầu hàn 105 xiv
17. Hình 4.31. Lưu đồ giải thuật điều khiển với các phương án 1, 2, 3 và 4 107 Hình 4.32. Lưu đồ giải thuật điều khiển với các phương án 5 và 6 108 Hình 4.33. Sơ đồ khối điều khiển động cơ 109 Hình 5.1. Sơ đồ khối điều khiển robot 110 Hình 5.2. Động cơ DC Motor TS 198 110 Hình 5.3. Mạch công suất H – Bridge 113 Hình 5.4. Hình ảnh board mạch thực tế 113 Hình 5.5. Board mạch gắn trên thanh nhôm rail 114 Hình 5.6. Module PID điều khiển tốc độ, vị trí 115 Hình 5.7. Sơ đồ khối PID 115 Hình 5.8. Sơ đồ khối của LM629 117 Hình 5.9. Biên dạng vận tốc 117 Hình 5.10. Mạch công suất LMD18200 119 Hình 5.11. Board điều khiển PID 119 Hình 5.12. Cảm biến quang E3X-DA-S 120 Hình 5.13. Sơ đồ đấu dây cho cảm biến quang E3X-DA-S 120 Hình 5.14. Các dòng AVR khác nhau: Tiny, AVR và Mega 123 Hình 5.15. Cấu trúc của Vi điều khiển AVR 123 Hình 5.16. Sơ đồ nguyên lý điều khiển robot 125 Hình 5.17. Sơ đồ mạch điện điều khiển robot 126 Hình 5.18. Tủ điện điều khiển robot 127 Hình 5.19. Các thiết bị giao tiếp của bộ điều khiển 127 Hình 6.1. Máy hàn MIG để hàn thử nghiệm 128 Hình 6.2. Chuẩn bị mép hàn cho hàn thử nghiệm 128 Hình 6.3. Mối hàn của mẫu thử nghiệm thứ nhất 129 Hình 6.4. Cảm biến đang dò tìm rãnh hàn ở mẫu thử thứ 2 129 Hình 6.5. Màn hình LCD hiển thị các điểm mép hàn mà cảm biến dò tìm được ở mẫu thử thứ 2 130 Hình 6.6. Mối hàn của mẫu thử nghiệm thứ 2 130 xv
18. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1. Các yêu cầu về thành phần của dây hàn theo AWS A5.17 35 Bảng 2.2. Các yêu cầu cơ tính theo AWS A5.17 37 Bảng 2.3. các yêu cầu độ dai va đập theo AWS A5.17 37 Bảng 2.4. Thông số hàn giáp mối với tấm lót bằng đồng 41 Bảng 2.5. Thông số hàn giáp mối tấm lót bằng thép 42 Bảng 2.6. Thông số hàn hai phía tấm dày 19 ÷ 25,4 mm 43 Bảng 2.7. Thông số hàn tấm dày 32 ÷ 38 mm 43 Bảng 3.1. Các kích thước của thanh trượt bi 62 Bảng 3.2. Các kích thước của bộ vitme – đai ốc bi 71 Bảng 3.3. Các kích thước của ổ bi đỡ 72 Bảng 3.4. Các kích thước của khớp nối trục 73 Bảng 3.5. Các kích thước của thanh trượt bi gắn đầu hàn 76 Bảng 5.1. Thông số cơ bản của Motor TS 198 111 Bảng 5.2. Thông số kỹ thuật của Motor TS 198 111 Bảng 5.3: Ký hiệu màu dây encoder của Motor TS 198 112 Bảng 5.4. Thông số kỹ thuật của bộ khuếch đại E3X-DA-S 120 Bảng 5.5. Các model sợi quang phản xạ có đầu mỏng / nhỏ 122 Bảng 6.1. Bảng đánh giá khuyết tật mối hàn bằng mắt (Visual Testing – VT) 131 xvi
19. Chương 1: Tổng quan về nền Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN 1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH HÀN: Khoảng đầu thời đại đồ đồng, đồ sắt, con người đã biết hàn kim loại. Năm 1802, nhà bác học Nga Pê-tơ-rốp đã tìm ra hiện tượng hồ quang điện và chỉ rõ khả năng sử dụng nhiệt năng của nó để làm nóng chảy kim loại, mở ra thời kỳ hàn hồ quang tay trong ngành công nghiệp đóng tàu. Năm 1882 Kỹ sư Bê-na-đớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại. Năm 1886 Tôm-sơn đã tìm ra phương pháp hàn tiếp xúc giáp mối và được áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903. Năm 1887 Bê-na-đớt đã tìm ra phương pháp hàn điểm. Năm 1888, Sla-via-nốp đã áp dụng điện cực nóng chảy - điện cực kim loại vào hồ quang điện, đến năm 1907, kỹ sư Thụy Điển Ken-Be đã phát hiện ra phương pháp ổn định quá trình phóng hồ quang và bảo vệ vùng hàn khỏi tác động của không khí xung quanh bằng cách lắp lên điện cực kim loại một lớp vỏ thuốc. Việc ứng dụng que hàn bọc thuốc bảo đảm chất lượng của mối hàn. Thời kỳ phát triển cao của công nghiệp hàn đã được mở ra vào những năm cuối 30 và đầu 40 thế kỷ XX, sau những công trình nổi tiếng của viện sĩ E. O. Pa-tôn về hàn dưới thuốc. Phương pháp hàn bán tự động và sau đó hàn tự động dưới lớp thuốc ra đời; sau đó nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đó là thành tựu vô cùng to lớn của kỹ thuật hàn hiện đại. Cho đến nay, hàn dưới thuốc vẫn là phương pháp cơ khí hoá cơ bản trong kỹ thuật hàn, với những ưu điểm vượt trội về hiệu suất và chất lượng của mối hàn. Từ những năm cuối 40, các phương pháp hàn trong khí bảo vệ được nghiên cứu và đưa vào sản xuất. Hàn trong khi bảo vệ làm tăng vọt chất lượng mối hàn và hiện nay là một trong những phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi nhất, và đặc biệt là khả năng sử dụng dễ dàng ở nhiều tư thế hàn khác nhau. Hàn xỉ điện là một phát minh nổi tiếng nữa của tập thể Viện Hàn điện B. O. Pa-tô (Ki-ép, Liên Xô). Quá trình hàn điện xỉ được các nhà bác học Xô Viết phát hiện năm 1949, nghiên cứu và đưa vào sản xuất trong những năm 50. Phương pháp hàn điện xỉ ra đời và phát triển là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong nghành chế tạo máy móc hạng nặng như lò hơi, tua bin, máy ép cỡ lớn, . Các phường pháp hàn ngày càng được nghiên cứu và cải tiến để nâng cao năng suất, hiệu quả và chất lượng mối hàn, cũng như nâng cao khả năng tự động hóa. Hiện nay, có hơn 120 phương pháp hàn khác nhau, trong đó, các phương pháp hàn được sử dụng rộng rãi nhất là: hàn hồ quang tay, hàn bán tự động và tự động dưới lớp thuốc (Submerged Arc Welding - SAW), hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ (MIG, MAG), hàn hồ quang dây hàn lõi thuốc (FCAW-Flux Cored Arc Welding), hàn hồ quang tự bảo vệ (Self-Shielded Arc Weld), hàn TIG. Một số phương pháp hàn mới HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 1
20. Chương 1: Tổng quan về nền Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG đang được nghiên cứu và đưa vào sản xuất như: hàn bằng tia điện tử (electron beam welding), laser beam, hàn siêu âm, hàn plasma hồ quang, v.v Nói chung, các phương pháp hàn ngày càng được hoàn thiện hơn và được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là trong nghành du hành vũ trụ. Có thể nói hàn là một phương pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại. Hàn ở Việt Nam cũng đã xuất hiện từ thời thượng cổ, hồi đó ông cha ta dã biết sử dụng hàn để làm ra những dụng cụ cần thiết phục vụ cho đời sống và cải tiến điều kiện lao động. Trước cách mạng tháng tám, môn hàn rất ít được ứng dụng. Sau cách mạng tháng tám và trong thời kỳ kháng chiến, môn hàn được phát triển hơn, nó đã đóng góp vào nền công nghiệp quốc phòng mới mẻ của chúng ta. Sau hòa bình chúng ta đã sử dụng hàn rất nhiều trong cuộc cách mạng kỹ thuật và xây dựng nền kinh tế xã hội chủ nghĩa. Nhiều công trình đồ sộ đã mọc lên sử dụng nhiều đến hàn như lò cao khu gang thép Thái Nguyên, nhà công nghiệp, tàu bè, nồi hơi v.v Tuy vậy việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp hàn tiên tiến còn gặp nhiều khó khăn và chưa đủ điều kiện để phát triển mạnh mẽ. Với lực lượng cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề ngày càng đông đảo, chúng ta tin chắc rằng, kỹ thuật hàn ở Việt Nam sẽ ngày càng phát triển và được ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất. Hình 1.1. Các phương pháp hàn HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 2
21. Chương 1: Tổng quan về nền Robot hàn GVHD: TS. LÊ CHÍ CƯƠNG 1.2. ROBOT HÀN: 1.2.1. Ứng dụng của robot hàn trong sản xuất: Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng nhiều trong lĩnh vực dưới góc độ thay thế con người. Nhờ vậy, dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả tăng lên rõ rệt. Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào các khả năng to lớn của robot như: + Làm việc không biết mệt mỏi. + Rất dễ chuyển nghề một cách thành thạo. + Chịu được tia phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao. + Thay thế con người trong các công việc đơn điệu mà dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn + Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, công nghệ cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm, . Công nghệ hàn tự động với robot đã được ứng dụng từ lâu trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô ở các nước công nghiệp phát triển, tiêu biểu trong số đó như Hoa Kỳ, Nhật Bản, CHLB Ðức, Pháp, Ý, Hàn Quốc, Trung Quốc, và gần đây là các nước trong khu vực Ðông Nam Á. Sau đó, công nghệ hàn tự động với robot được áp dụng trong các ngành đóng tàu biển, chế tạo máy. Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp. Gần 25% robot công nghiệp là robot hàn. Các robot lắp ráp chiếm 33% dân số robot trên thế giới, có mặt nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử. Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: Mỗi khung xe được cố định vào một palette và được điều khiển di chuyển khắp nhà máy. Khi khung xe đến trạm hàn, bộ phận kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần thiết, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước (H. 1.2). HVTH: PHẠM MẠNH TRƯỜNG Trang 3