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

HUỲNH CAO TRÍ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ROBOT HÀN TRONG XÂY
DỰNG QUY TRÌNH HÀN TỰ ĐỘNG MŨI CỌC CHỮ X
RESEARCH AND APPLICATION OF WELDING ROBOT
IN BUILDING OF AUTOMATIC WELDING PROCESS
X PILE TIP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2023


i

Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. PHÙNG TRÍ CƠNG
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc
gia Thành phố Hồ Chí Minh ngày 07 tháng 07 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS.TS. NGUYỄN DUY ANH
2. Thư ký: TS. PHÙNG THANH HUY

3. Phản biện 1: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
4. Phản biện 2: PGS.TS. TRƯƠNG NGUYỄN LUÂN VŨ
5. Ủy viên: TS. TRẦN VIỆT HỒNG
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


ii

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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HUỲNH CAO TRÍ

MSHV: 2070612

Ngày, tháng, năm sinh: 26/07/1998

Nơi sinh: LONG AN

Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ điện tử


Mã số : 8520114

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ROBOT HÀN TRONG XÂY
DỰNG QUY TRÌNH HÀN TỰ ĐỘNG MŨI CỌC CHỮ X (RESEARCH
AND APPLICATION OF WELDING ROBOT IN BUILDING OF
AUTOMATIC WELDING PROCESS X PILE TIP)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nội dung của luận văn:
Luận văn trình bày một phương pháp mới, đơn giản với chi phí thấp để nhận diện
đường hàn trên chi tiết mũi cọc chữ X nhờ vào hệ thống cảm biến đo khoảng cách và
động cơ xoay cảm biến. Kết hợp giao tiếp với robot hàn để tiến hành q trình hàn giúp
tự động hóa q trình hàn, cải thiện chất lượng và giảm chi phí sản xuất sản phẩm mũi
cọc chữ X.
Nhiệm vụ của đề tài tập trung giải quyết các vấn đề:
- Tính tốn, thiết kế hệ thống bàn gá hàn cho mũi cọc chữ X.
- Thiết kế hệ thống cảm biến phát hiện các đường hàn trên mũi cọc chữ X.
- Xây dựng quy trình hàn tự động cho mũi cọc chữ X.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

06/02/2023

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

26/06/2023

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

TS. Phùng Trí Cơng


Tp. HCM, ngày 26 tháng 06 năm 2023.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. PHÙNG TRÍ CƠNG
TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


iii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này con xin cảm ơn ba mẹ, người đã vất vả nuôi nấng
con và bên luôn bên cạnh con để vượt qua mọi khó khăn trong cuộc đời, ln khun
nhủ, động viên con mỗi khi con mắc sai lầm.
Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô Trường Đại học Bách Khoa Thành
Phố Hồ Chí Minh nói chung cũng như Khoa Cơ Khí nói riêng vì cơng lao giảng dạy,
truyền đạt các kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tại trường. Những kiến thức
ấy sẽ là hành trang quan trọng trong công việc và cuộc sống của em sau này.
Trong quá trình làm luận văn, em đã gặp nhiều khó khăn trong việc tiếp cận các
kiến thức và giải quyết vấn đề. Em xin cảm ơn thầy Phùng Trí Cơng vì đã hướng dẫn
tận tình, bổ sung kiến thức, nghiêm khắc và tạo điều kiện tốt nhất để em hồn thành
được luận văn này.
Mình xin cảm ơn tất cả các bạn sinh viên đã cùng học tập, giúp đỡ, trao đổi và
chia sẻ kiến thức và cùng nhau học tập trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học
Bách Khoa. Cảm ơn những người bạn thân đã luôn bên cạnh hỗ trợ, ủng hộ và giúp
đỡ mình trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Với thời gian thực hiện luận văn có hạn và chưa có nhiều kinh nghiệm, luận văn
này chắc chắn sẽ có nhiều sai sót. Rất mong sự góp ý từ thầy cơ và các bạn để đề tài
trở nên hoàn thiện hơn.


Xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 6 năm 2023
Huỳnh Cao Trí


iv

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này trình bày một phương pháp mới, đơn giản với chi phí thấp để nhận
diện đường hàn trên chi tiết mũi cọc chữ X nhờ vào hệ thống cảm biến đo khoảng
cách và động cơ xoay cảm biến. Kết hợp giao tiếp với robot hàn để tiến hành q
trình hàn giúp tự động hóa q trình hàn, cải thiện chất lượng và giảm chi phí sản
xuất sản phẩm mũi cọc chữ X. Quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị và thực
nghiệm kiểm chứng phương pháp của đề tài được trình bày gói gọn trong 5 chương:
Chương 1: Tổng quan.
Chương 2: Đề xuất phương án giải quyết vấn đề.
Chương 3: Thiết kế hệ thống hàn tự động mũi cọc chữ X.
Chương 4: Giải thuật và kết quả thực nghiệm nhận diện đường hàn.
Chương 5: Tổng kết và hướng phát triển.
Tài liệu tham khảo và phụ lục.


v

ABSTRACT
This thesis presents a new, simple and low-cost method to detect welds on X
pile tip thanks to a distance measuring sensor system and sensor rotation motor.
Combining communication with the welding robot to conduct the welding process
helps to automate the welding process, improve quality and reduce production costs

of X-pile tip. Research, design, manufacture equipment and the experimental method
verification of the topic is presented in 5 chapters:
Chapter 1: Overview.
Chapter 2: Proposing a solution to the problem.
Chapter 3: Design of automatic X pile tip welding system.
Chapter 4: Algorithm and experimental results of weld identification.
Chapter 5: Summary and development direction.
References and appendices.


vi

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung
thực và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ thực hiện luận
văn này đã được cảm ơn và các thông tin tham khảo, trích dẫn đã được chỉ rõ nguồn
gốc rõ ràng và được phép được cơng bố.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 6 năm 2023
Học viên thực hiện

Huỳnh Cao Trí


vii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. vi

MỤC LỤC ........................................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................................... x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. xv
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN .......................................................................................... 1

1.1

Giới thiệu chung về robot hàn. ..................................................................... 1

1.1.1

Robot hàn là gì ...................................................................................... 1

1.1.2

Cấu trúc cơ bản và ứng dụng của robot hàn ......................................... 2

1.1.3

Lợi ích của robot hàn ............................................................................ 3

1.1.4

Các kĩ thuật hàn hiện nay ...................................................................... 4

1.2

Các yêu cầu kĩ thuật khi hàn và chất lượng mối hàn ................................... 5


1.2.1

Yêu cầu kĩ thuật khi hàn ....................................................................... 5

1.2.2

Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn .................................... 7

1.3

Các nghiên cứu liên quan đến robot hàn ...................................................... 8

1.3.1

Các nghiên cứu trong nước ................................................................... 9

1.3.2

Các nghiên cứu ngoài nước .................................................................. 9

1.4

Đặt vấn đề và tính cấp thiết của đề tài ....................................................... 11

1.5

Mục tiêu nghiên cứu - nhiệm vụ của đề tài ................................................ 13

1.6


Ý nghĩa của đề tài ....................................................................................... 13

1.7

Đối tượng, phạm vi của đề tài .................................................................... 14

1.8

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 14

CHƯƠNG 2:

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ .............................. 15


viii

2.1

Phân tích các phương pháp nhận dạng đường hàn ..................................... 15

2.2

Nhận xét và đề xuất hướng giải quyết........................................................ 19

2.3

Kết cấu của hệ thống cảm biến tìm đường hàn .......................................... 20


2.4

Cơ sở toán học của phương pháp ............................................................... 22

CHƯƠNG 3:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÀN TỰ ĐỘNG MŨI CỌC CHỮ X............. 25

3.1

Tính tốn thiết kế cơ khí bàn gá mũi cọc chữ X ........................................ 25

3.1.1

Thiết kế khung, bàn gá ........................................................................ 25

3.1.2

Tính tốn thiết kế, lựa chọn động cơ, hộp số và truyền động ............. 26

3.1.3

Giải pháp kết nối điện bàn xoay với máy hàn .................................... 30

3.2

Thiết kế hệ thống cảm biến tìm đường hàn ................................................ 31

3.2.1


Lựa chọn cảm biến .............................................................................. 31

3.2.2

Thiết kế hệ thống trượt tịnh tiến dọc theo đường hàn......................... 35

3.2.3

Thiết kế cụm xoay cảm biến ............................................................... 37

3.3

Thiết kế hệ thống điện ................................................................................ 39

3.3.1

Chọn thiết bị điều khiển ...................................................................... 39

3.3.2

Chọn cảm biến tiệm cận...................................................................... 40

3.3.3

Lựa chọn driver điều khiển động cơ bước .......................................... 40

3.3.4

Thiết kế chọn nguồn điện.................................................................... 42


3.4

Giao tiếp vi điều khiển với máy tính và máy tính với robot ...................... 43

3.4.1

Phân tích lựa chọn số bậc tự do của robot .......................................... 43

3.4.2

Robot MOTOMAN UP6 – XRC ........................................................ 45

3.4.3

Giới thiệu giao tiếp RS232 dùng trong Datatransmission .................. 46

3.4.4

Kết nối thiết bị .................................................................................... 47

3.4.5

Cài đặt tham số hệ thống..................................................................... 48

3.4.6

Giao thức BSC Like ............................................................................ 50

3.4.7


Giao diện Window forms .................................................................... 52


ix

CHƯƠNG 4:

GIẢI THUẬT VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................... 55

4.1

Giải thuật tính tốn quỹ đạo đường hàn dựa trên cở sở tốn học............... 56

4.2

Giải thuật tìm đường hàn dựa trên giao điểm 2 đường thẳng .................... 61

4.3

Calib giá trị đo của cảm biến đo khoảng cách ........................................... 65

4.4

Calib góc 0 ban đầu của cảm biến .............................................................. 68

4.4.1

Calib vị trí góc 0 của cảm biến ngang ................................................ 68

4.4.2


Calib vị trí góc 0 của cảm biến đứng .................................................. 69

4.5

Tiến hành thực nghiệm tìm đường hàn ...................................................... 71

4.5.1

Thực nghiệm tìm đường hàn ............................................................... 71

4.5.2

Tạo chương trình hàn cho robot hàn ................................................... 72

4.6

Kiểm chứng kết quả tìm kiếm đường hàn .................................................. 74

4.6.1

Phương pháp kiểm chứng: .................................................................. 74

4.6.2

Xác định tọa độ đường hàn thực ......................................................... 75

4.6.3

Kết quả quỹ đạo thu lần đầu ............................................................... 85


4.6.4

Kết quả quỹ đạo sau khi cải tiến giải thuật ......................................... 92

4.6.5

Kết quả quỹ đạo áp dụng phương pháp giao 2 đường thẳng .............. 98

4.6.6

Kết quả tracking theo quỹ đạo đường hàn tìm được của robot ......... 104

CHƯƠNG 5:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................ 106

5.1

Nhận xét kết quả đạt được của đề tài ....................................................... 106

5.2

Hướng phát triển của đề tài ...................................................................... 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 109
Phụ lục A ........................................................................................................................... 111


x


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Một robot hàn cơng nghiệp ..........................................................................1
Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản và các tọa độ của robot hàn ..............................................2
Hình 1.3 Cọc bê tơng và chi tiết mũi cọc chữ X........................................................12
Hình 1.4 Kết cấu hệ thống hàn MIG/MAG ...............................................................12
Hình 2.1 Một robot nhận diện đường hàn bằng cảm biến góc xoay [3] ..................15
Hình 2.2 Robot hàn dị theo vết [3]...........................................................................16
Hình 2.3 Quỹ đạo lấy mẫu và quỹ đạo cơng nghệ [3] ..............................................17
Hình 2.4 Q trình chạm tìm đường hàn ..................................................................17
Hình 2.5 Kết cấu một loại robot sử dụng cảm biến quang hoặc laser [3] ...............18
Hình 2.6 Robot sử dụng phương pháp nhận biết đường hàn bằng camera [9] .......18
Hình 2.7 Hệ thống nhận diện đường hàn sử dụng camera kết hợp laser [7] ...........19
Hình 2.8 Nhận diện đường hàn nằm ngang ..............................................................21
Hình 2.9 Nhận diện đường hàn đứng ........................................................................21
Hình 2.10 Mơ hình hoạt động bàn gá và hệ thống cảm biến ....................................22
Hình 2.11 Sơ đồ khối của hệ thống ...........................................................................22
Hình 2.12 Tính tốn tìm điểm hàn trên mặt cắt vng góc phương duy chuyển của
cảm biến [6] ..............................................................................................................22
Hình 2.13 Điểm hàn tại các vị trí mặt cắt dọc đường hàn [6] .................................22
Hình 3.1 Mơ hình mũi cọc thử nghiệm ......................................................................25
Hình 3.2 Khung máy .................................................................................................26
Hình 3.3 Bàn đỡ hộp số bước và đĩa gá mũi cọc chữ X............................................26
Hình 3.4 Cấu tạo sơ bộ hộp số bước.........................................................................27
Hình 3.5 Hộp số bước DEX CAMS 4-270.................................................................27
Hình 3.6 Bộ truyền đai răng 5M ...............................................................................28
Hình 3.7 Động cơ bước 57CM23 Leadshine ............................................................29
Hình 3.8 Bộ góp điện than chì ..................................................................................31
Hình 3.9 Vị trí bộ góp điện cực âm cho bàn xoay ....................................................31
Hình 3.10 Cảm biến khoảng cách VL53L0X Laser Distance ToF Sensor................31



xi

Hình 3.11 Cảm biến khoảng cách TW10S Laser ......................................................32
Hình 3.12 Bộ cảm biến Keyence Laser Analog CMOS IL065 ..................................33
Hình 3.13 Kích thước cảm biến TW10S Laser [15]..................................................34
Hình 3.14 Định dạng giao thức truyền thơng của cảm biến TW10S [15] ................34
Hình 3.15 Ví dụ đọc khoảng cách và phản hồi của cảm biến TW10S [15] ..............35
Hình 3.16 Vít me bi SUF105 .....................................................................................35
Hình 3.17 Gối lắp ổ bi, con trượt và ray trượt vng MGN12C ..............................35
Hình 3.18 Motor bước 42CM Leadshine ..................................................................36
Hình 3.19 Hệ tịnh tiến ngang (trái) và đứng (phải)..................................................36
Hình 3.20 Tâm xoay của cảm biến ............................................................................37
Hình 3.21 Bản vẽ chi tiết gá cảm biến ......................................................................38
Hình 3.22 Động cơ RC Servo MG996R ....................................................................38
Hình 3.23 Tủ hệ thống điện của thiết bị ....................................................................39
Hình 3.24 Arduino ATmega2560 ..............................................................................39
Hình 3.25 Cảm Biến Phát Hiện Kim Loại Tiệm Cận LJ12A3 ..................................40
Hình 3.26 DM542 Driver Leadshine ........................................................................41
Hình 3.27 Sơ đồ kết nối dây của driver DM542 [16] ...............................................41
Hình 3.28 Độ phân giải vi bước của driver [16] ......................................................42
Hình 3.29 Nguồn tổ ong cấp nguồn cho thiết bị .......................................................43
Hình 3.30 Giao tiếp UART truyền nhận dữ liệu giữa arduino và máy tính .............44
Hình 3.31 Giao tiếp RS232 giữa máy tính và bộ điều khiển robot XRC ..................44
Hình 3.32 Robot UP6 và tủ điều khiển XRC .............................................................45
Hình 3.33 Tủ điện XRC và bảng điều khiển ..............................................................46
Hình 3.34 Bản vẽ kích thước vùng hoạt động robot UP6 .........................................46
Hình 3.35 Các thơng số kĩ thuật cơ bản của giao tiếp..............................................47
Hình 3.36 Sơ đồ đấu dây theo chuẩn null-modem cable[12] ...................................47

Hình 3.37 Cáp chuyển USB-RS232 và sơ đồ đấu dây ..............................................48
Hình 3.38 Q trình truyền từ máy tính chủ tới XRC [12] .......................................51
Hình 3.39 Các ký tự, mã điều khiển ..........................................................................52
Hình 3.40 Đoạn code chương trình theo sơ đồ truyền nhận ....................................53


xii

Hình 3.41 Giao diện điều khiển robot qua RS232 viết bằng C# ...............................53
Hình 3.42 Cấu trúc dữ liệu truyền cho robot ............................................................54
Hình 3.43 Chức năng Position Type của robot [13] ................................................54
Hình 3.44 Cấu trúc 1 biến vị trí [13] ........................................................................54
Hình 4.1 Mơ hình 3D thiết kế của thiết bị .................................................................55
Hình 4.2 Kích thước tổng qt của thiết bị ...............................................................55
Hình 4.3 Mơ hình sau khi chế tạo .............................................................................56
Hình 4.4 Tọa độ tính tốn quỹ đạo đường hàn của bàn gá ......................................56
Hình 4.5 Chương trình chính hoạt động của hệ thống .............................................59
Hình 4.6 Giải thuật chương trình con tìm đường hàn ngang ...................................59
Hình 4.7 Giải thuật chương trình con tìm đường hàn đứng .....................................60
Hình 4.8 Vị trí hàn và vị trí tìm quỹ đường hàn ........................................................60
Hình 4.9 Sai số do lấy mẫu rời rạc ...........................................................................62
Hình 4.10 Ví dụ q trình tìm đường hàn của 1 góc phần tư áp dụng giải thuật giao
điểm 2 đường thẳng...................................................................................................64
Hình 4.11 Giải thuật tìm điểm hàn bằng phương pháp giao điểm 2 đường thẳng ...64
Hình 4.12 Phương pháp calib cảm biến ...................................................................65
Hình 4.13 Giá trị khoảng cách đọc được từ cảm biến ..............................................65
Hình 4.14 Kết quả đa thức phù hợp với bộ dữ liệu cảm biến đường hàn ngang ......66
Hình 4.15 Kết quả đa thức phù hợp với bộ dữ liệu cảm biến đường hàn đứng........67
Hình 4.16 Calib cảm vị trí góc 0 cảm biến tìm đường hàn ngang ............................68
Hình 4.17 Cơ sở tốn phương pháp tìm vị trí góc 0 của cảm biến ngang ................68

Hình 4.18 Calib cảm vị trí góc 0 cảm biến tìm đường hàn đứng .............................69
Hình 4.19 Cơ sở tốn phương pháp tìm vị trí góc 0 của cảm biến đứng..................70
Hình 4.20 Set home các cụm cảm biến và bàn xoay .................................................71
Hình 4.21 Quá trình tìm đường hàn ngang ...............................................................71
Hình 4.22 Quá trình tìm đường hàn đứng ................................................................72
Hình 4.23 Quá trình đầu hàn đi ra, vào tiến hành hàn theo quỹ đạo .......................72
Hình 4.24 Nội dung chương trình hàn của robot......................................................73
Hình 4.25 Chương trình hàn cho robot được viết trên pendant ...............................73


xiii

Hình 4.26 Kích thước thiết kế và vị trí các góc phần tư mũi cọc chữ X thử nghiệm 74
Hình 4.27 Đường hàn lý thuyết của mơ hình mũi cọc chữ X ....................................75
Hình 4.28 Mơ tả tọa độ user cho robot .....................................................................76
Hình 4.29 Các bước thiết lập một tọa độ người dùng trên robot .............................76
Hình 4.30 Danh sách tọa độ người dùng ..................................................................77
Hình 4.31 Hộp thoại lựa chọn...................................................................................77
Hình 4.32 Hồn thành hộp thoại thiết lập tọa độ user .............................................77
Hình 4.33 Tọa độ user sau khi thiết lặp trong danh sách .........................................78
Hình 4.34 Chọn tâm góc tọa độ O user trùng với tâm tọa độ O bàn xoay ...............78
Hình 4.35 Chọn một điểm trên trục OX cập nhật cho tọa độ user ...........................79
Hình 4.36 Chọn một điểm trên trục OY cập nhật cho tọa độ user ...........................79
Hình 4.37 Quá trình tìm đường hàn ngang thực tế của góc thứ I ............................80
Hình 4.38 Quá trình tìm đương hàn đứng thực tế của góc phần tư thứ I .................80
Hình 4.39 Q trình tìm đường hàn ngang thực tế của góc thứ II ...........................81
Hình 4.40 Quá trình tìm đường hàn đứng thực tế của góc thứ II .............................81
Hình 4.41 Q trình tìm đường hàn ngang thực tế của góc thứ III ..........................82
Hình 4.42 Q trình tìm đường hàn đứng thực tế của góc thứ III............................82
Hình 4.43 Quá trình tìm đường hàn ngang thực tế của góc thứ IV ..........................83

Hình 4.44 Q trình tìm đường hàn đứng thực tế của góc thứ IV ............................83
Hình 4.45 Kết quả góc phần tư thứ I ........................................................................88
Hình 4.46 Sai số ở góc phần tư I...............................................................................88
Hình 4.47 Kết quả góc phần tư thứ II .......................................................................89
Hình 4.48 Sai số ở góc phần tư II .............................................................................89
Hình 4.49 Kết quả góc phần tư thứ III ......................................................................90
Hình 4.50 Sai số ở góc phần tư III ............................................................................90
Hình 4.51 Kết quả góc phần tư thứ IV ......................................................................91
Hình 4.52 Sai số ở góc phần tư IV ............................................................................91
Hình 4.53 Kết quả góc phần tư thứ I sau khi loại bớt nhiễu.....................................94
Hình 4.54 Sai số góc phần tư thứ I sau khi loại bớt nhiễu .......................................94
Hình 4.55 Kết quả góc phần tư thứ II sau khi loại bớt nhiễu ...................................95


xiv

Hình 4.56 Sai số góc phần tư thứ II sau khi loại bớt nhiễu ......................................95
Hình 4.57 Kết quả góc phần tư thứ III sau khi loại bớt nhiễu ..................................96
Hình 4.58 Sai số góc phần tư thứ III sau khi loại bớt nhiễu .....................................96
Hình 4.59 Kết quả góc phần tư thứ IV sau khi loại bớt nhiễu ..................................97
Hình 4.60 Sai số góc phần tư thứ IV sau khi loại bớt nhiễu .....................................97
Hình 4.61 Kết quả áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ I ....................................100
Hình 4.62 Sai số góc phần tư thứ I áp dụng giải thuật giao điểm ..........................100
Hình 4.63 Kết quả áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ II ...................................101
Hình 4.64 Sai số góc phần tư thứ II áp dụng giải thuật giao điểm.........................101
Hình 4.65 Kết quả áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ III ..................................102
Hình 4.66 Sai số góc phần tư thứ III áp dụng giải thuật giao điểm .......................102
Hình 4.67 Kết quả áp dụng giải thuật giao điểm góc thứ IV ..................................103
Hình 4.68 Sai số góc phần tư thứ IV áp dụng giải thuật giao điểm .......................103
Hình 4.69 Kết quả quá trình thực nghiệm tracking quỹ đạo đường hàn tìm được .105

Hình A.1 Bản vẽ chế tạo chi tiết Tấm đế lắp hộp số ...............................................111
Hình A.2 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bàn xoay ..............................................................111
Hình A.3 Bản vẽ chế tạo chi tiết Khung ..................................................................112
Hình A.4 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bass di động ........................................................112
Hình A.5 Bản vẽ chế tạo chi tiết Gá cảm biến ........................................................113
Hình A.6 Bản vẽ chế tạo chi tiết Bass lắp servo đứng ............................................113
Hình A.7 Bản vẽ sơ đồ điện của thiết bị ..................................................................114


xv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ số độ bền mối hàn theo các phương pháp hàn ......................................5
Bảng 1.2 Góc uốn cho phép nhỏ nhất .........................................................................7
Bảng 1.3 Trị số độ dai va đập của mối hàn ................................................................7
Bảng 1.4 Bảng trị số áp suất thử thuỷ lực...................................................................8
Bảng 2.1 Bảng so sánh các phương pháp nhận diện đường hàn..............................19
Bảng 3.1 Bảng đánh giá lựa chọn cảm biến đo khoảng cách ...................................33
Bảng 3.2 Bảng tóm tắt cơng suất các thiết bị ...........................................................42
Bảng 3.3 Thơng số hệ thống liên quan tới giao tiếp RS232......................................48
Bảng 4.1 Bảng kết quả calib cảm biến khoảng cách tìm đường hàn ngang .............66
Bảng 4.2 Bảng kết quả calib cảm biến khoảng cách tìm đường hàn đứng...............67
Bảng 4.3 Bảng số liệu tìm vị trí 0 cảm biến phương ngang......................................69
Bảng 4.4 Bảng dữ liệu đường hàn ngang thực tế của mũi cọc .................................84
Bảng 4.5 Bảng dữ liệu nội suy đường hàn ngang thực tế .........................................84
Bảng 4.6 Bảng dữ liệu đường hàn đứng thực tế của mũi cọc ...................................84
Bảng 4.7 Bảng dữ liệu nội suy đường hàn đứng thực tế ...........................................85
Bảng 4.8 Quỹ đạo đường hàn ngang thu được lần đầu ............................................85
Bảng 4.9 Sai số quỹ đạo đường ngang thu được lần đầu .........................................86

Bảng 4.10 Quỹ đạo đường hàn đứng thu được lần đầu ............................................86
Bảng 4.11 Sai số quỹ đạo đường đứng thu được lần đầu .........................................86
Bảng 4.12 Bảng dữ liệu đường hàn ngang sau khi cải tiến giải thuật .....................92
Bảng 4.13 Sai số quỹ đạo đường ngang sau cải tiến ................................................93
Bảng 4.14 Bảng dữ liệu đường hàn đứng sau khi cải tiến giải thuật .......................93
Bảng 4.15 Sai số quỹ đạo đường đứng sau cải tiến ..................................................93
Bảng 4.16 Bảng dữ liệu đường hàn ngang thuật toán giao điểm 2 đường thẳng ....98
Bảng 4.17 Sai số quỹ đạo đường ngang giải thuật giao điểm ..................................99


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về robot hàn.
1.1.1 Robot hàn là gì
Robot hàn là một loại robot đã được lập trình sẵn giúp con người hồn tồn tự
động hóa q trình hàn cơ khí. Tùy vào từng mục đích sử dụng mà thị trường đã cho
ra đời nhiều loại robot hàn gia cơng cơ khí khác nhau về đầu hàn như robot hàn tích,
hàn dây, hàn điểm hay hàn laze. Robot hàn được áp dụng vào các dây chuyền sản
xuất tự động địi hỏi tính chun mơn, phức tạp. Trong các lĩnh vực sản xuất ô tô, xe
máy, đường ống, giá đỡ,…, robot hàn sẽ giúp ích rất nhiều và đem lại hiệu quả vượt
trội so với lao động thủ cơng thơng thường.

Hình 1.1 Một robot hàn cơng nghiệp
Năm 1962 robot hàn đầu tiên được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. Một
robot do George Devol và Joseph Engelberger phát triển –Unimation 001 ở một nhà
máy của General Motor để hàn điểm trên dây chuyền lắp ráp. Đây có thể coi đây là
một sản phẩm tân tiến của ngành công nghiệp chế tạo robot và mãi đến năm 1980,
người ta mới áp dụng công nghệ robot hàn vào hoạt động hàn điểm trong sản xuất ô
tô. Tuy xuất hiện muộn, nhưng hiện nay robot hàn gia công cơ khí đang chiếm số

lượng áp đảo trong tổng số các loại robot được đưa vào sử dụng nhờ vào tính ứng
dụng rất cao trong mọi lĩnh vực sản xuất.


2

1.1.2 Cấu trúc cơ bản và ứng dụng của robot hàn
Một robot hàn thường sẽ có hình dạng giống như một cánh tay có khớp giúp
xoay và cử động dễ dàng. Thiết kế robot giống cánh tay người làm tăng độ linh hoạt,
giúp robot có thể thực hiện các cơng việc đòi sự tỉ mỉ, chuyên nghiệp. Đầu cánh tay
gắn với súng hàn, góc súng hàn có thể di chuyển linh hoạt để robot có thể hàn ở nhiều
vị trí khác nhau. Robot hàn thường được thiết kế với 6 bậc tự do được lập trình sẵn.

Hình 1.2 Cấu trúc cơ bản và các tọa độ của robot hàn
Bộ phận định vị và gá cố định vật hàn sẽ giúp quá trình hàn diễn ra thuận lợi
hơn. Khi nối các vật hàn lại với nhau, sự căn chỉnh chính xác là yếu tố rất quan trọng.
Hệ thống định vị này giúp cho vật nối giữ nguyên tại chỗ trong quá trình hàn. Bộ
phận định vị và giá cố định giữ chắc chắn các vật hàn cho đến khi đầu hàn tiếp cận
đến mối hàn.
Hệ thống truyền động của robot hàn gia cơng cơ khí sử dụng bộ truyền đai răng
gồm các loại bánh răng như bánh răng côn xoắn, bánh răng sóng hay con lăn linh
hoạt. Cấu tạo bộ truyền của robot hàn giúp robot hàn đạt được độ chính xác cao trong
cơng việc bởi bánh răng sóng nhẹ nhưng lại có tỷ số truyền cao. Vành răng của loại
bánh răng này khơng chỉ ăn khớp mà cịn có khả năng biến dạng ở mức độ nhất định
để có thể đạt đến độ chính xác tiêu chuẩn. Theo thiết kế này vấn đề xuất hiện khe hở
khi robot đảo chiều quay có thể gần như khắc phục.
Tủ điều khiển robot cung cấp điện cho suốt quá trình hoạt động của robot. Chỉ
số điện áp được điều khiển sao cho phù hợp từng hoạt động hàn khác nhau. Ngoài ra



3

robot hàn cịn có các bộ phận khác như nguồn hàn, đầu hàn, bộ phận kẹp đầu hàn và
các thiết bị cảm biến, thiết bị phụ trợ.
Robot hàn có thể ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất hàng loạt như sản
xuất ôtô vận tải, điện điện tử, hàng không vũ trụ, kim loại và máy móc. Các hãng xe
lớn trên thế giới đã ứng dụng robot hàn từ những năm 1980 như Ford , Toyota, Honda,
Mercedes... Tại Việt Nam nhà máy sản xuất oto của Vinfast hiện đang sử dụng tới
1200 robot hàn để phục vụ nhu cầu sản xuất.
1.1.3 Lợi ích của robot hàn
Robot hàn được ứng dụng vào trong sản xuất mang lại rất nhiều lợi ích:
Tăng hiệu suất: khả năng xử lý liên tục của Robot hàn có thể cao hơn 3-5 lần so
với con người. Đồng thời với khả năng chịu đựng tốt hơn, thời gian thao tác chính
xác hơn, di chuyển nhanh hơn, Robot hàn có thể giúp tăng sản lượng vượt trội.
Độ ổn định cao: việc hàn thủ cơng địi hỏi người thợ cần có tay nghề cao và kinh
nghiệm, thêm vào sự tập trung để đạt mức chính xác đồng đều trong các sản phẩm.
Trong khi đó robot hàn có thể đạt độ chuẩn xác về các mối hàn suốt 24/7.
Độ an toàn cao: việc sử dụng robot hàn sẽ giúp giảm thiểu các yếu tố nguy hiểm
như: điện giật, khí độc, các điều kiện làm việc trên cao, môi trường dễ cháy nổ,…
Chất lượng sản phẩm tốt, duy trì ổn định về tốc độ, khoảng cách, thời gian,
Robot hàn có thể cho ra những sản phẩm đáp ứng được yêu cầu sản xuất, giảm tỉ lệ
phế phẩm.
Giảm số lượng lao động: sự thiếu hụt về nhân cơng tay nghề cao có thể được
giải quyết khi sử dụng Robot hàn, khi đó ta có thể cắt giảm thời gian đào tạo và làm
việc cho nhân viên.
Giảm chi phí sản xuất: với sự ổn định lâu dài về năng suất và chất lượng sản
phẩm, một sản phẩm robot về lâu dài sẽ giúp ta tiết kiệm năng lượng, cắt giảm tiền
lương, bảo hiểm cho nhân viên.



4

Tăng khả năng cạnh tranh: việc sử dụng Robot hàn sẽ giúp các cơng ty có thể
rút ngằn thời gian sản xuất, duy trì, nâng cao chất lượng sản phẩm, phục vụ khách
hàng nhiều hơn.
1.1.4 Các kĩ thuật hàn hiện nay
Trong cơng nghệ chế tạo cơ khí, hàn là q trình liên kết các chi tiết hoặc đắp
phủ lên bề mặt vật liệu (kim loại hoặc phi kim) để tạo nên một lớp bề mặt có tính
năng đáp ứng u cầu sử dụng. Hàn là q trình cơng nghệ để nối các chi tiết với
nhau thành liên kết không tháo rời được mang tính liên tục ở phạm vi nguyên tử hoặc
phân tử, bằng cách đưa chỗ nối tới trạng thái nóng chảy, thơng qua việc sử dụng một
trong hai yếu tố là nhiệt và áp lực, hoặc kết hợp cả hai yếu tố đó. Khi hàn có thể sử
dụng hoặc không sử dụng thêm vật liệu phụ bổ sung. Hiện nay, có các phương pháp
hàn chính sau đây:
- Hàn gió đá: Hàn gió (Oxy) đá (Acetylen hay gas. Phương pháp này sử dụng các khí
trên để gia nhiệt cho chi tiết hàn đạt tới trạng thái nóng chảy và liên kết với nhau. Khi
hàn có thể dùng vật liệu để điền thêm (filler rod) vào vị trí hàn hoặc không.
- Hàn hồ quang điện (arc welding), gọi tắt là Hàn điện hay Hàn que. Phương pháp
này dùng hồ quang điện được tao ra bởi que hàn để làm nóng chảy kim loại hàn và
ngay cả que hàn để điền vào vị trí hàn.
- Hàn hồ quang dưới khí bảo vệ T.I.G (Tungsten inert gas): Phương pháp này dùng
hồ quang được tạo ra bởi điện cực Tungsten và dùng khí trơ (khí Argon) để bảo vệ
mối hàn.
- Hàn hồ quang dưới khí bảo vệ M.I.G (Metal inert gas): Thay vì dùng que hàn, người
ta dùng 01 cuộn dây kim loại có kích thước từ 0.6 mm - 1.6 mm hoặc lớn hơn làm
điện cực hàn và điện cực này cũng là dạng điện cực nóng chảy nhưng được cung cấp
một cách liên tục nhưng vẫn được người thợ hàn điều khiển nên còn gọi là hàn bán
tự động.



5

- Hàn MAG (Metal active gas): cũng giống với phương pháp hàn MIG, sự khác biệt
giữa 2 phương pháp hàn nằm ở chổ khí bảo vệ ở hàn MIG là khí trơ cịn ở hàn MAG
sử dụng khí bảo vệ là loại khí “hoạt hóa”. Hàn MAG ứng dụng nhiều khi hàn thép
thường, thép hỗn hợp có hợp kim thấp. Khí hoạt hóa thường sử dụng là (CO2), hoặc
Argon có trộn thêm khí Oxy (O2) và đơi khi là khí Hydro(H2).
- Hàn Plasma, đây là một dạng biến thể của hàn hồ quang.
- Hàn Laser là công nghệ hàn cao cấp sử dụng năng lượng của các nguồn laser.
- Các phương pháp hàn đặc biệt khác: hàn tia điện tử, hàn nổ, hàn TIG điện cực nén,
hàn ma sát, hàn đảo trộn, hàn nấu.....
1.2 Các yêu cầu kĩ thuật khi hàn và chất lượng mối hàn
1.2.1 Yêu cầu kĩ thuật khi hàn
Trước khi hàn cần phải làm sạch mép các cạnh ghép của đường hàn và phần
kim loại sát cạnh đường hàn sao cho thấy được ánh kim. Bề rộng khoảng làm sạch
trên 10mm mỗi bên. Nếu hàn chống nhiều đường hàn cần phải làm sạch xỉ hàn lớp
trước mới được hàn lớp sau. Không được hàn khi nhiệt độ khơng khí mơi trường dưới
0 độ C. Cơng nghệ hàn phải đảm bảo ứng suất bên trong mối hàn không được quá trị
số cho phép. Hệ số độ bền mối hàn điện, hàn hơi không được vượt quá trị số trong
bảng 1.1.
Bảng 1.1 Hệ số độ bền mối hàn theo các phương pháp hàn


6

Mối hàn sau khi hàn phải đảm bảo:
- Kiểm tra bên ngồi khơng có:
+ Nứt bề mặt mối hàn và phần kim loại nóng chảy
+ Bứu, lẹm, cháy thủng, hàn khơng ngấu và các khuyết tật khác
+ Chổ gãy móc lệch mép

+ Sai lệch kích thước, hình dạng mối hàn
- Kiểm tra kim tương:
+ Khơng nứt trong kim loại nóng chảy và các vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt
+ Không có chổ hàn khơng ngấu giữa các lớp hàn với bìa mép
+ Khơng có chổ hàn thiếu q 15% bề dày thành hoặc 3mm đối với bề dày trên
20mm hàn 1 phía.
+ Khơng có lỗ xốp, ngâm xỉ
+ Khơng có vết nứt, rạn phần cấu tạo làm giảm đàn hồi và dẻo của kim loại
- Kiểm thử thuỷ lực:
+ Trên mối hàn khơng có hiện tượng rạn nứt
+ Khơng có hiện tượng rị rỉ nước
+ Khơng có hiện tượng biến dạng rõ rệt
- Kết quả thử kéo mối hàn bằng trung bình cộng của các mẫu thử, khơng được thấp
hơn độ bền tối thiểu của thép tương ứng, trong đó khơng có 1 mẫu nào thấp hơn 10%
độ bền tối thiểu.
- Kết quả thử uốn không được thấp hơn giá trị theo bảng 1.2


7

Bảng 1.2 Góc uốn cho phép nhỏ nhất

- Trị số độ dai va đập của mối hàn không thấp hơn trị số theo bảng 1.3
Bảng 1.3 Trị số độ dai va đập của mối hàn

1.2.2 Các phương pháp kiểm tra chất lượng mối hàn
Mối hàn sau khi hàn xong cần được kiểm tra để đảm bảo chất lượng. Chất lượng
mối hàn phải được kiểm tra bằng một hoặc một số hoặc toàn bộ các phương pháp sau
đây tuỳ vào loại mối hàn và thông số làm việc của thiết bị được hàn.
- Kiểm tra bên ngoài: Việc kiểm tra đo đạt bên ngoài tiến hành trên toàn bộ chiều dài

mối hàn. Khi mặt trong không thể kiểm tra cho phép chỉ kiểm tra mặt ngoài của mối
hàn. Bề mặt mối hàn và phần kim loại bên canh mối hàn cần phải được làm sạch khi
kiểm tra, khoảng làm sạch tối thiểu 20mm.


8

- Kiểm tra cơ tính: Kiểm tra cơ tính để xác định độ bền, dẻo của mối hàn. Các phương
pháp kiểm tra cơ tính bao gồm thử kéo, thử uốn và thử độ dai va đập. Ngoài ba dạng
thử quy định như trên tuỳ vào yêu cầu có thể áp dụng các phương pháp thử độ cứng,
thử độ cắt va đập. Thử kéo phải được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN5403-1991.
Thử uốn phải được thực hiện theo tiêu chuẩn TCVN5401-1991. Thử độ dai va đập
phải thực hiện theo tiêu chuản TCVN 5402-1991.
- Phương pháp siêu âm: Đây là phương pháp kiểm tra không phá huỷ mối hàn. Kiểm
tra mối hàn kim loại bằng việc chiếu tia rơnghen và gama xuyên qua phải thực hiện
yêu cầu theo tiêu chuẩn TCVN4395-1986. Kết quả đánh giá của phương pháp kiểm
tra siêu âm theo tiêu chuẩn TCVN1548-1987.
- Phương pháp thử thuỷ lực: Mối hàn các bộ phận chịu áp lực cần được thử thuỷ lực
bằng nước hoặc các chất lỏng có tính chất tương đương. Áp suất thử thuỷ lực phải
theo trị số bảng 1.4 và thời gian duy trì áp suất ít nhất là 5 phút.
Bảng 1.4 Bảng trị số áp suất thử thuỷ lực

1.3 Các nghiên cứu liên quan đến robot hàn
Lĩnh vực robot hàn là một lĩnh vực rất rộng lớn, trải dài với các vấn đề được
nghiên cứu từ thiết kế chế tạo robot, robot hàn công nghiệp hay mobile robot hàn,
nhận diện mối hàn, nghiên cứu thông số kĩ thuật hàn..... Tuy nhiên với đề tài ỨNG
DỤNG ROBOT HÀN TRONG XÂY DỰNG QUY TRÌNH HÀN TỰ ĐỘNG MŨI
CỌC CHỮ X, luận văn này tập trung nghiên cứu liên quan đến các giải pháp nhận
diện đường hàn có thể áp dụng cho chi tiết mũi cọc chữ X là chủ yếu. Sau đó nghiên



9

cứu truyền dữ liệu quỹ đạo đường hàn tìm được cho robot để tạo nên 1 quy trình hàn
tự động cho chi tiết mũi cọc chữ X.
1.3.1 Các nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam trong những năm gần đây có nhiều bài nghiên cứu liên quan đến
robot hàn như:
Nghiên cứu thiết kế đồ gá hàn tự động nối mặt bích với ống xy lanh thủy lực –
Võ Văn Tín [1]. Nghiên cứu này tập trung tính tốn thiết kế, cải tiến trang bị cơng
nghệ ở q trình hàn mặt bích xy lanh vào ống xy lanh thủy lực, hàn kín ống xy lanh
thủy lực vào mặt bích xy lanh xe tại Cơng ty Cổ phần Ơ tơ Trường Hải.
Robot hàn tự động –Nguyễn Thanh Phương và Phan Văn Hoàn [2], nghiên cứu
này đề nghị một phương pháp đơn giản dùng trong hàn tự động. Hệ thống bao gồm
một robot di động ba bánh xe và một bộ dụng cụ hàn. Robot di động được điều khiển
bằng bộ điều khiển ổn định đơn giản dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov.
Nghiên cứu phát triển robot hàn tự động nhận diện mối hàn –Lê Chí Cương và
Đặng Thiện Ngơn [3]. Nghiên cứu này đề xuất phương pháp nhận diện mối hàn để
điều khiển đầu hàn đi theo đường hàn đã được nhận diện cho mối hàn phẳng ghép
mí. Kết cấu cơ khí và phương án chuyển động công nghệ của đầu hàn cũng được đề
cập đến. Kết quả của đề xuất sẽ làm cơ sở cho việc thiết kế robot hàn thông minh, có
khả năng nhận diện mối hàn bằng phương pháp không tiếp xúc.
Mặc dù các nghiên cứu về hàn và robot hàn được nghiên cứu nhiều, tuy nhiên
vẫn chưa có đề tài nghiên cứu tự động hóa robot hàn cho sản phẩm mũi cọc chữ X.
1.3.2 Các nghiên cứu ngoài nước
Các bài nghiên cứu ngoài nước liên quan đến lĩnh vực robot hàn nổi bậc như:
Một hệ thống bám đường hàn dựa trên cảm biến thị giác và laser -Yanbiao Zou
và các cộng sự [4]. Trong nghiên cứu này, một hệ thống theo dõi đường hàn mới và
mạnh mẽ dựa trên cảm biến thị giác laser được đề xuất. Điểm hàn đặc trưng được thu
được bằng phương pháp hình thái truyền thống trước khi hàn và do đó có thể xác định