THIẾT KẾ MÁY ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
THIẾT KẾ MÁY ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN, thuyết minh, động học máy, kết cấu máy, nguyên lý máy, quy trình sản xuất
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
vii
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
viii
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
ix
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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......................
1.4.1. Mục tiêu nghiên cứu:
Qua việc tìm các vấn đề tổng quan đã về Robot hàn được trình bày ở trên, ta có một số nhận xét sau:
- Robot hàn được tự động ở khâu duy trì nguồn nhiệt hàn (Hồ quang, khí, laser,
…) ở đầu hàn và ở khâu di chuyển đầu hàn theo quỹ đạo hàn. Ở khâu thứ nhất các
Robot hàn đều giống nhau, khâu thú 2 thì khác nhau.
- Ở các đề tài nghiên cứu trước, các robot chủ yếu hàn theo các đường hàn cố định đã được lập trình sẵn hoặc có một số đề tài có các phương pháp nhận diện mối hàn nhưng lại bằng phương pháp cơ khí nên không có sự linh hoạt hoặc chỉ hàn được với dạng đường hàn thẳng.
- Từ hạn chế ở trên, nếu ta xây dựng phương pháp nhận diện mối hàn tự động bằng các cảm biến, rồi sau đó điều khiển đầu hàn di chuyển theo quỹ đạo hàn đã được nhận diện tự động thì robot hàn sẽ rất linh hoạt, có thể hàn các đường cong bất kì mà không phải mất công lập trình lại, sẽ tăng năng suất lên rất nhiều. Mục tiêu này cũng chính là mục tiêu của luận văn: “Thiết kế - chế tạo thử nghiệm Robot hàn tự động nhận diện mối hàn”................................................
2.3. THIẾT BỊ HÀN TỰ ĐỘNG DƯỚI LỚP THUỐC:
Cấu tạo cơ bản của thiết bị hàn tự động (còn gọi là “Rùa hàn” hay “Xe hàn tự
hành”) gồm các bộ phận sau:
1. Nguồn hàn:
Nguồn DC dòng điện không đổi: Khi sử dụng nguồn điện DC dòng điện không đổi với bộ nạp dây điện cực tự động, cần phải duy trì điện áp hồ quang ( chiều dài hồ quang) hầu như không đổi, để đảm bảo dòng điện hàn ổn định. Điều này có thể đạt được bằng cách giám sát điện áp hồ quang để điều khiển tốc độ nạp dây. Khi điện áp vượt quá giá trị cho trước, mạch điều khiển sẽ tăng tốc độ nạp dây để giảm chiều dài hồ quang. Khi điện áp hồ quang giảm, mạch điều khiển sẽ giảm tốc độ nạp dây.
Nguồn DC điện áp không đổi: Dùng với bộ nạp dây tốc độ không đổi, với sự truyền động được vận hành độc lập với mạch điện hàn. Với hệ thống này, sự điều khiển chiều dài hồ quang sẽ chính xác và nhanh hơn. Nguồn DC điện áp không đổi, dòng điện ngắn mạch rất cao, dòng điện hàn được xác định bằng tốc độ nạp dây điện cực, tốc độ này tăng, dòng điện sẽ tăng và ngược lại. Dòng ngắn mạch cao cho phép mồi hồ quang dễ hơn so với nguồn DC dòng điện không đổi. Để hàn các tiết diện mỏng thường dùng nguồn điện DC điện áp không đổi, do tính đồng nhất của điện áp cho phép tăng tốc độ hàn. Thường dùng với đường kính dây từ 1/8 in (3,2 mm) hoặc nhỏ hơn.
Nguồn AC dòng điện không đổi: Là biến áp hàn công suất cao có điện áp hở
mạch tối thiểu là 80V để đảm bảo không bị ngắt hồ quang khi đảo ngược dòng điện ở
nữa chu kỳ xoay chiều. Hàn AC thường có chất lượng thấp do sự dao động của điện áp sơ cấp.
2. Xe di trượt:
Xe có bốn bánh với động cơ DC và hộp giảm tốc, truyền động các bánh sau bằng ly hợp. Tốc độ xe được điều chỉnh trong khoảng 0,2 ÷ 1,5 m/ phút. Chiều hành trình được chọn trước bằng công tắc đảo chiều.
3. Bộ phận kẹp đầu hàn:
Bộ phận này đỡ đầu hàn, gồm bộ kẹp đa năng và rãnh trượt dọc. Đầu hàn có thể định vị chính xác bằng bộ điều chỉnh theo rãnh trượt dọc. Bộ kẹp đa năng được dùng để nghiêng đầu hàn theo góc mong muốn, đến 450. Hai mặt bích dùng để kẹp giữ cuộn dây hàn theo tiêu chuẩn (300 x 100 mm).
4. Đầu hàn:
Bộ này gồm thiết bị làm thẳng dây và nạp dây, được thiết kế để làm thẳng dây khi được tháo ra từ cuộn dây và đưa vào đầu hàn qua ống dẫn. Dây được cung cấp thông qua động cơ DC với bộ truyền động bốn con lăn, hộp giảm tốc, con lăn nạp dây. Tốc độ của con lăn nạp dây có thể thay đổi bằng nút xoay trên bộ điều khiển ( 0,1 ÷
7,5 m/phút). Thuốc hàn được đưa vào hộp chứa qua một lưới sàng, qua ống mềm, đến bộ phân phối. Toàn bộ hệ thống nạp dây có thể xoay về phía trước 450 xung quanh trục của con lăn nạp dây, hoặc có thể chuyển động ngang...............................................................
5. Bộ điều khiển:
Bao gồm các bộ phận đồng hồ kỹ thuật số để đo tốc độ xe di trượt, volt kế và ampe kế, chiết áp kế để chỉnh tốc độ nạp dây và tốc độ xe di trượt, công tắc đảo chiều chuyển động xe di trượt, bộ điều chỉnh dây lên xuống, các công tắc điều khiển thứ tự hàn. Bộ điều khiển có mạch điều khiển tốc độ điện tử, mạch thứ tự hàn và mạch điều khiển truyền động bộ nạp dây.
Bộ phận tạo quỹ đạo công nghệ hàn:
Dùng để tạo dao động cho đầu hàn, tạo quỹ đạo công nghệ cho mối hàn.
7. Trang thiết bị phụ trợ:
Các trang thiết bị phụ trợ được dùng tùy trường hợp và có thể bao gồm:
- Đường ray cho xe hàn – dùng cho mối hàn thẳng.
- Bộ gá lắp đặc biệt khi xe hàn chuyển động trực tiếp trên vật hàn.
- Bộ thu hồi thuốc hàn chưa dùng hết (máy hút thuốc hàn dư).
- Đèn chiếu và kim dẫn hướng.
CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT
3.1. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT HÀN TỰ HÀNH:
Các giải pháp về phần cứng của Robot hàn tự hành hiện có hiện nay trên thế giới:
3.1.1. Dạng 1: Robot hàn tự hành dùng để hàn góc không có bộ phận tạo quỹ đạo công nghệ hàn:
Gồm có các bộ phận:
- Bộ phận truyền động: Giúp cho robot di chuyển.
- Bộ phận điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh hướng hàn.
- Bộ phận kẹp đầu hàn: Điều chỉnh vị trí và giữ cố định đầu hàn.
- Nguồn điện: Sử dụng nguồn điện AC được cấp từ ngoài.
Ưu nhược điểm: Chuyên dùng để hàn góc, đối với những đường hàn có độ cong thì không thể hàn được. Không tạo ra chuyển động công nghệ trên đường hàn, do đó chỉ hàn được những mối hàn nhỏ, cần có người công nhân theo dõi và điều chỉnh vị trí trong quá trình hàn.
3.1.2. Dạng 2: Robot hàn tự hành dùng để hàn phẳng hay hàn góc:
Gồm có các bộ phận:
- Bộ phận truyền động: Giúp robot di chuyển.
- Bộ phận điều khiển: Điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh hướng hàn.
- Bộ phận kẹp đầu hàn: Điều chỉnh vị trí và giữ cố định đầu hàn.
- Bộ phận tạo chuyển động công nghệ hàn: Tạo chuyển động zigzag cho mối hàn.
- Nguồn điện: Sử dụng nguồn điện AC được cấp từ ngoài.
3.2.6. Lựa chọn phương án phù hợp nhất:
|
PA |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
Ghi chú |
|
1 |
Không cần cơ cấu bẻ lái và điều chỉnh đầu hàn nên cơ cấu gọn nhẹ. |
Kém linh hoạt, chỉ hàn được những đường hàn tương đối thẳng và khó thực hiện với những đường hàn cong. Cần có các thiết bị phụ trợ như vách và ray nên cồng kềnh khó vận chuyển. |
Đây là phương án chung của các loại robot do nước ngoài sản xuất. |
|
2 |
Nhờ có cơ cấu ray dẫn hướng giúp xe di chuyển đúng hướng, không cần cơ cấu bẻ lái. Hàn được đường cong. |
Yêu cầu thiết bị phụ trợ kèm theo (ray dẫn hướng). |
Phát triển thêm bộ phận dò đường và di chuyển tay hàn so với phương án 1. |
|
3 |
Không có cơ cấu bẻ lái, kết cấu gọn nhẹ. |
Yêu cầu độ chính xác cao để robot di chuyển đúng hướng và ổn định. |
|
|
4 |
Với cơ cấu bẻ lái chỉnh |
Hệ thống điều khiển và |
Cơ cấu phụ trợ đơn |
|
|
hướng sẽ giúp robot được di chuyển linh hoạt. Không cần ray hay vách dẫn hướng nên rất tiện lợi để vận chuyển. |
cơ khí phức tạp hơn các phương án trên, và yêu cầu độ chính xác tương đối cao. |
giản, nhưng hệ thống lái chưa đáp ứng được yêu cầu đưa ra là độ lệch và độ ổn định trong khi robot di chuyển. |
|
5 |
Có được những ưu điểm như phương án 4, nhưng phương án 5 sẽ cho cách bẻ lái linh hoạt và dễ điều chỉnh góc lái. |
Hệ thống điều khiển và cơ khí phức tạp hơn các phương án trên, và yêu cầu độ chính xác tương đối cao. |
Hệ thống lái đã đáp ứng phần nào yêu cầu của đề bài đặt ra. |
Dựa vào những yêu cầu mà người sử dụng đưa ra đó là:
- Sự tiện lợi trong việc sử dụng, vận chuyển.
- Đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật đề ra như độ chính xác hay các yêu cầu về
kỹ thuật hàn.
Theo nguyên lí mà ta đưa ra ở trên: Robot hàn có bộ phận dò và tay hàn linh động nên cần chọn phương án sao cho gọn nhẹ, linh động; đồng thời, hai bộ phận dò và tay hàn có thể di chuyển tự động dò tìm đường hàn, nên việc sử dụng cơ cấu bẻ lái là không cần thiết nếu ta bỏ bộ phận bẻ lái thì kết cấu Robot sẽ gọn nhẹ hơn. Vì vậy, ta nhận thấy phương án 2a là phương án phù hợp nhất.
3.3. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA ROBOT:
Từ phương án bố trí không gian đã lựa chọn như trên, ta thiết kế phương án truyền động cho robot như sau:
Robot di chuyển dọc theo đường hàn thông qua bộ truyền thanh răng – bánh răng. Chuyền động qua lại của đầu dò và đầu hàn được thực hiện thông qua bộ truyền vitme – đai ốc.
Từ phương án truyền động như trên ta thiết kế kết cấu phần cứng của robot như sau:
THIẾT KẾ MÁY ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN, thuyết minh, động học máy, kết cấu máy, nguyên lý máy, quy trình sản xuất
