Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
__________________

LÊ VĂN ĐỊNH

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CÁC GIẢI PHÁP
TẠO CHUYỂN ĐỘNG CƠNG NGHỆ CỦA QUỸ ĐẠO
CĨ DẠNG ĐƯỜNG CONG PHẲNG CHO ROBOT HÀN

Chuyên ngành: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Mã số ngành: 2.01.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2007


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ..............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1:.....................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2:.....................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , Ngày Tháng

Năm 2007


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
Tp.HCM, ngày

tháng

năm 200

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

Lê văn Định

Phái Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

01/10/1979

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành:

Chế Tạo Máy


MSHV: 00404072

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CÁC GIẢI PHÁP TẠO CHUYỂN ĐỘNG
CƠNG NGHỆ CỦA QUỸ ĐẠO CĨ DẠNG ĐƯỜNG CONG PHẲNG CHO
ROBOT HÀN"
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
+ Nghiên cứu và thiết lập quỹ đạo lấy mẫu trên đường cong phẳng dựa vào thiết bị hỗ
trợ teach pendant
+ Xây dựng quỹ đạo công nghệ dựa trên quỹ đạo lấy mẫu với một số pattern cụ thể.
+ Xây dựng phần mềm trợ giúp thiết lập quỹ đạo công nghệ trên cơ sỡ quỹ đạo lấy
mẫu nhờ Teach pendant.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ..................................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: .................................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. LÊ HOÀI QUỐC
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH

Ngày tháng năm 2006-11-26
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH



LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CẢM ƠN
Sau hơn hai năm học tập và nghiên cứu trong chương trình đào tạo sau đại học tại
trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh tơi đã đúc kết được nhiều kiến thức bổ
ích cho chun mơn của mình. Và với cơng trình nghiên cứu dưới hình thức luận văn
thạc sĩ tơi đã mang những kiến thức mình đã được trang bị để cố gắng thực hiện một
luận văn mang tính Nghiên cứu. Vì đề tài luận văn là nghiên cứu giải quyết một vấn đề
khoa học mới mẻ và tương đối khó khăn có lúc tưởng chừng như phải dừng lại thì tơi
đã nhận được sự hướng dẫn tận tình và đầy nhiệt huyết của thầy hướng dẫn PGS.TS
Lê Hoài Quốc, sự hỗ trợ từ phía gia đình, bạn bè, các thầy cơ trong Khoa Cơ Khí học
Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Cho đến nay, luận văn đã đạt được những kết quả như
mong muốn.
Đến đây cho phép tôi gởi lời cảm ơn chân thành đến:
- PGS.TS. Lê Hồi Quốc – Phó giám đốc Sở Khoa Học và Công Nghệ
TP.HCM. Người đã giúp đỡ tôi rất tận tâm, không những trong luận văn
này mà còn ở rất nhiều lĩnh vực khác trong đời sống. Xin dâng lên thầy
lòng biết ơn sâu sắc.
- Q thầy cơ khoa Cơ Khí học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh.
- Q thầy cơ bộ mơn Kỹ thuật Điều khiển Tự động – Khoa Cơ Khí –
trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Hồ Chí Minh.
- Cha mẹ và người thân của tôi.
- Bạn bè đồng nghiệp và bạn bè cùng khố học và đặc biệt là em Trần
Đức Trọng đã hỗ trợ nhiệt tình cho tôi.
Một lần nữa, tơi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ động viên của báu
của tất cả mọi người. Xin chân thành cảm ơn.

Tp.HCM, tháng 7 năm 2007
Học viên thực hiện luận văn


Lê Văn Định

LỜI CÁM ƠN


LỜI NÓI ĐẦU
Cơng 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 Ðơng Nam Á. Sau đó, cơng nghệ hàn tự động với robot được áp
dụng trong các ngành đóng tàu biển, chế tạo máy.
Những lợi ích lớn nhất của hàn tự động sử dụng robot là có độ chính xác và
năng suất cao, nâng cao độ tin cậy của mối hàn. Một khi được lập trình hợp lý, các
robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy
cách. Chuyển động của que hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao
tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại. Robot khơng những
làm việc nhanh hơn mà cịn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn
nhiều so với một hệ thống hàn tay.
Nói tóm lại mục đích ứng dụng robot hàn nhằm:
-

Thực hiện một quá trình hàn ổn định trong suốt thời gian làm việc để nâng
cao chất lượng mối hàn.

-

Giảm giá thành sản phẩm vì giảm được đáng kể chi phí cho người sử dụng
lao động.

-


Cải thiện điều kiện làm việc.

-

Tăng năng suất.

Luận văn này được thực hiện nhằm NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CÁC
GIẢI PHÁP TẠO CHUYỂN ĐỘNG CƠNG NGHỆ CỦA QUỸ ĐẠO CĨ DẠNG
ĐƯỜNG CONG PHẲNG CHO ROBOT HÀN, góp phần vào việc nghiên cứu và
phát triển robot hàn tạiViệt Nam.
Dù đã cố gắng nhưng vì điều kiện thực tế nền khoa học công nghiệp nước nhà
và vì điều kiện đời sống chi phối nên luận văn này chắc hẳn sẽ còn nhiều sai sót
và hạn chế, kính mong được sự thông cảm và góp ý của Q Thầy Cô, các bạn để
cho đề tài được hoàn thiện hơn.

Tác giả

Lê Văn Định


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này có tên gọi là: “Nghiên cứu và xây dựng các giải pháp tạo chuyển
động cơng nghệ của quỹ đạo có dạng đường cong phẳng cho robot hàn”.Vì vậy
luận văn này mang nặng tính nghiên cứu robot hàn. Luận văn gồm 5 chương, nhằm
giải quyết các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu cơ sở động học robot.
2. Nghiên cứu về các phương pháp toán số, các phương pháp xử lí ma trận, các
cơng cụ symbolic trên MATLAB.
3. Nghiên cứu và xây dựng mơ hình tốn cho các rãnh hàn theo quỹ đạo phẳng.

4. Nghiên cứu và đưa ra phương pháp xây dựng quỹ đạo công nghệ.
5. Giải quyết bài toán ngược và bài toán vận tốc vi phân trong điều khiển robot
hàn.
6. Xây dựng phần mềm tính tốn và đưa ra thơng số của rãnh hàn cũng như quỹ
đạo công nghệ đối với dạng pattern cơ bản.


MỤC LỤC
Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Nhu cầu thực tế của cơng đoạn hàn kim loại…………………………………1
1.2 Tính cần thiết việc tự động hóa cơng đoạn hàn trong cơng nghiệp…………2
1.3 Tình hình nghiên cứu robot hàn tại Việt Nam và trên thế giới……………..3
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi………………………………………3
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước……………………………………..10
1.4 Quỹ đạo công nghệ trong quá trình hàn …………………………………...13

Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CÔNG
NGHỆ CHO ROBOT HÀN ĐƯỜNG CONG PHẲNG
2.1 Giải pháp xây dựng quỹ đạo lấy mẫu…………………………………...…...15
2.1.1 Dùng sensor để nhận diện biên dạng đường hàn………………………..15
2.1.2 Lập trình trước quỹ đạo hàn……………………………………………..18
2.2 Các pattern cơ bản…………………………………………………………….20
2.3 Giải pháp xây dựng quỹ đạo công nghệ cho robot hàn và mục tiêu đề tài ..21
2.3.1 Giải pháp xây dựng quỹ đạo công nghệ bằng weaver…………………..21
2.3.2 Giải pháp xây dựng quỹ đạo công nghệ bằng cách phối hợp chuyển động
của các khâu trên robot………………………………………………….22
2.3.3 Mục tiêu của đề tài.. …………………………………………………….23

Chương 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN
3.1 Thơng số robot hàn……………………………………………………………26

3.2 Bài tốn động học thuận………………………………...………………...….28
3.3 Bài toán xây dựng quỹ đạo lý thuyết……………………………...…………30
3.4 Bài toán xây dựng rãnh hàn………………………………………...………..34
3.4.1 Dựng mặt phẳng trung trực và xử lí thơng số rãnh……………………...34
3.4.2 Dựng rãnh hàn…………………………………………………………...35
3.5 Bài tốn xây dựng quỹ đạo cơng nghệ…...………………………………….39
3.6 Bài tốn chuyển động thẳng của End_effector………...……………………46
3.6.1 Bài toán động học ngược………………………………………………...47
3.6.2 Cách chọn nghiệm là sáu biến di chuyển duy nhất……………………….53
3.7 Bài toán động vận tốc vi phân……...………………………………………...54

Chương 4: XÂY DỰNG PHẦN MỀM TÍNH TỐN QUỸ ĐẠO
CƠNG NGHỆ
4.1 Xây dựng giải thuật ………………….…………….…………………...…….57
4.2 Xây dựng phần mềm .………………………………………………………...59
4.2.1 Cấu trúc phần mềm………..……………………………………………...59
4.2.2 Giao diện ………..………………………………………………………..60
4.3 Thử nghiệm phần mềm……………………………………………………….65
4.3.1 Trường hợp đường cong phẳng ……………………………………….….65
4.3.2 Trường hợp đường cong 3D…...……………………………………...….84


4.3.3 Trường hợp đường thẳng ………………………………………….….….99
4.3.4 Mô phỏng kết quả……...………………………………………………..109
4.6 Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của chương trình………………..…….110
4.6.1 Ưu điểm…………………………………………………………………110
4.6.2 Nhược điểm……………………………………………………………..110

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Kết luận……………………………………………………………………….111

5.1.1 Những thành quả………………………………………………………...111
5.1.2 Những hạn chế…………………………………………………………111
5.2 Hướng phát triển…………………………………………………………….111


MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15

Tỉ lệ cơng việc trong q trình sản xuất ơtơ và tàu thuỷ…………………1
Robot hàn TIG của hãng KUKA………………………………………… 4
Robot hàn TIG của hãng Motoman………………………………………4
Robot hàn Bấm của hãng Kawasaki……………………………………...5
Robot hàn của hãng ABB………………………………………………... 5
Robot hàn di động của hãng Bug-O…………………………………….. 6
Robot hàn của hãng FANUC……………………………………………. 6
Robot hàn của hãng PANASONIC………………………………………..7

Robot hàn Rower………………………………………………………….7
Robot giàn treo hãng KVERNER………………………………………....8
Robot tự hành dùng để hàn đường thẳng……………………………….. 8
Mobile robot……………………………………………………………...9
Mobile robot cuûa NCS ĐHBK TP. HCM tại Hàn Quốc chế tạo ..………….12
Minh họa q trình hàn đường cong phẳng với robot………………….13
Mơ tả quỹ đạo cơng nghệ zigzag………………………………………...14

Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11

Sơ đồ nguyên lý khi sử dụng sensor trên robot………………………….15
Sơ đồ nguyên lý khi sử dụng camera trên robot………………………...16
Sơ đồ nguyên lý khi sử dụng camera và tia laser trên robot……………17
Tập điểm Si được lấy từ teach pendant…………………………………18
Quỹ đạo thực của end_ effector………………………………………...18
Tập điểm Si được nội suy qua thuật toán………………………………..19
Các Teach pendant hỗ trợ lập trình trong robot………………………..19
Một số pattern cơ bản…………………………………………………..20
Mô tả weaver…………………………………………………………….21
Mô phỏng quỹ đạo công nghệ hàn tạo ra do kết hợp các ………………22

Quỹ đạo công nghệ hàn tạo ra do kết hợp các khớp……………………23

Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15
Hình 3.16

Tập điểm via-point lấy t ừ teach-pendant………………………………24
Biểu diễn thơng số rãnh hàn…………………………………………….25
Thơng số pattern………………………………………………………...25
Cấu trúc robot…………………………………………………………...25
Mơ hình rãnh hàn………………………………………………………..26
Lược đồ cơ cấu tay máy Panasonic AW7000…………………………...26
Tay máy Panasonic AW7000…………………………………………....27
Cấu tạo và thông số tay máy Panasonic AW7000………………………27
Biểu diễn hệ toạ độ L với trường hợp quỹ đạo thẳng…………………...31
Biểu diễn hệ toạ độ L với trường hợp quỹ đạo cong phẳng…………….32
Biểu diễn đường cong sau khi nội suy………………………………….33

Biểu diễn thông số rãnh hàn………………………………………….…35
Biểu diễn thông số rãnh hàn thẳng……………………………………..35
Sơ đồ biểu diễn hệ toạ độ Ti……………………………………………..36
Sơ đồ biểu diễn thông số rãnh trong hệ toạ độ Ti……………………….37
Sơ đồ biểu diễn thông số rãnh trong hệ toạ độ Ti……………………….38


Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22

Sơ đồ biểu diễn hình dạng và kích thước mẫu của pattern kiểu zigzag…39
Sơ đồ biểu diễn hình dạng và kích thước pattern kiểu zigzag rút gọn…..40
Sơ đồ biểu diễn phương pháp chia lại điểm…………………………….41
Sơ đồ biểu diễn hình góc ϕi……………………………………………...43
Lược đồ biểu diễn tay máy hai bậc tự do.................................................46
Lược đồ biểu diễn quỹ đạo của End Effector……………………………47

Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5

Hệ thống điều khiển robot ………………………………………….…...62
Cửa sổ giao diện điều khiển ..…………………………………………...65
Cửa sổ giao diện xuất, nhập tập tin ...…………………………………..66

Cửa sổ giao diện tính tốn ……………………………………………...67
Cửa sổ giao diện mơ phỏng ………………...…………………………..68


Chương 1: Tổng Quan

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Nhu cầu thực tế của công đoạn hàn kim loại
Hàn là công đoạn quan trọng khơng thể thiếu của q trình sản xuất cơng
nghiệp. Đặc biệt là trong ngành cơ khí ơtơ và tàu thuỷ. Theo thống kê đánh giá của
một hãng sản xuất ơtơ và tàu thuỷ tại Nhật thì tỉ lệ các công đoạn sản xuất chia theo
bảng dưới đây. Trong đó cơng đoạn hàn chiếm một khối lượng rất lớn (23%).

Hình 1.1: Tỉ lệ cơng việc trong q trình sản xuất ôtô và tàu thuỷ
Hiện nay tại Việt Nam nhu cầu về hàn là rất lớn khi mà tốc độ phát triển
công nghiệp đang tăng như vũ bảo và các nhà máy đóng tàu thuộc Tổng cơng ty
Cơng nghiệp tàu thủy Việt Nam đều có các dự án đầu tư mở rộng để đóng được tàu
trọng tải tới 100.000 tấn trong vài năm tới. Do đó cơng nghệ hàn cần được quan tâm
nghiên cứu để có được năng suất và chất lượng cao.

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

1


Chương 1: Tổng Quan

1.2 Tính cần thiết việc tự động hóa cơng đoạn hàn trong cơng nghiệp
Mơi trường hàn là một môi trường độc hại, người công nhân phải làm việc
trong môi trường ngột ngạt, chật hẹp, ô nhiễm tiếng ồn và khói hàn trong thời gian

dài. Ngồi ra chất lượng mối hàn cịn phụ thuộc vào trình độ tay nghề và sức khỏe
của cơng nhân, do đó nghiên cứu về những vấn đề ứng dụng robot hàn để thay cho
người công nhân hàn là sự cấp bách.
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, cơng nghệ hàn tự động với robot
được áp dụng trong các ngành đóng tàu biển, chế tạo máy.
Những lợi ích lớn nhất của hàn tự động sử dụng robot là có độ chính xác và
năng suất cao, nâng cao độ tin cậy của mối hàn. Một khi được lập trình hợp lý, các
robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy
cách. Chuyển động của que hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong
thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại. Robot không
những làm việc nhanh hơn mà cịn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu
quả hơn nhiều so với một hệ thống hàn tay.
Nói tóm lại mục đích ứng dụng robot hàn nhằm:
-

Thực hiện một quá trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề
một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc để nâng cao chất lượng mối
hàn.

-

Giảm giá thành sản phẩm vì giảm được đáng kể chi phí cho người sử dụng
lao động.

-

Cải thiện điều kiện làm việc.


-

Tăng năng suất.

Tại Việt Nam nhu cầu đặt hàng robot hàn đang gia tăng rất mạnh. Cụ thể
trong năm 2005 đã có các đơn hàng từ các cơng ty sau:
-

Cơng ty Trung Tín đặt hàng chế tạo robot hàn các thiết bị áp lực.

-

Công ty Công nghiệp tàu thủy Sài Gòn yêu cầu chế tạo robot hàn đường
thẳng và hàn đường cong...

-

Công ty Samco ứng dụng robot để sửa chữa xe hơi.

-

Cơng ty đóng tàu Nhà Bè: robot hàn vỏ tàu....

Với những tiềm năng và lợi ích to lớn như trên việc nghiên cứu và chế tạo
robot hàn là rất cần thiết của nhà nước và thành phố. Thể hiện qua chương trình 04
của thành phố và đề tài cấp nhà nước KC03.02.

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc


2


Chương 1: Tổng Quan

1.3 Tình hình nghiên cứu robot hàn tại Việt Nam và trên thế giới
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Việc nghiên cứu và ứng dụng robot hàn trong sản xuất công nghiệp đã được
nhiều nước trên thế giới quan tâm từ lâu. Tiêu biểu là các hãng ABB, FANUC,
PANASONIC, KAWASAKI, KUKA, MOTOMAN… đã chế tạo các thiết bị hàn từ
bán tự động đến tự động các robot hàn và triển khai ứng dụng robot hàn trong cơng
nghiệp.

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

3


Chương 1: Tổng Quan

ext.

paylo
ad

total load=payload+extended load

Hình 1.2: Robot hàn TIG của hãng KUKA

Hình 1.3: Robot hàn TIG của hãng Motoman


GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

4


Chương 1: Tổng Quan

Hình 1.4: Robot hàn Bấm của hãng Kawasaki

Hình 1.5: Robot hàn của hãng ABB

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quoác

5


Chương 1: Tổng Quan

Hình 1.6: Robot hàn di động của hãng Bug-O

Hình 1.7: Robot hàn của hãng FANUC

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

6


Chương 1: Tổng Quan


Hình 1.8: Robot hàn của hãng PANASONIC
Trong các tạp chí khoa học có uy tín về lĩnh vực robot, nhiều cơng trình đã
được cơng bố và triển khai như:
+ “Ship building with rower” – P. Gonzalez De Santos, M. A.
Armada, and M. Q. Jimenez.
Robot chuyên dùng để hàn trong cơng nghiệp tàu thủy.

Hình 1.9: Robot hàn Rower

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

7


Chương 1: Tổng Quan

Hình 1.10: Robot giàn treo dùng để hàn nhiều đường
thẳng song song cùng một lúc của hãn KVERNER

Hình 1.11: Robot tự hành dùng để hàn đường thẳng

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

8


Chương 1: Tổng Quan

+ Đề tài đưa ra một mơ hình robot di động dùng để hàn đường thẳng.
Cảm biến dò đường hàn di chuyển cùng với bàn trượt mang đầu mỏ hàn. Bộ

điểu khiển nhận thông tin về sai số từ cảm biến để điều khiển chuyển động
của robot theo phương trình lập sẵn
“Seam tracking and welding speed control of mobile for lattice type
of welding” Y.B. Jeon, B. O. Kam, S. S. Park, and S. B. Kim.

Hình 1.12: Mobile robot
+ Phát triển robot di động có trang bị cảm biến thị giác dùng trong hàn
ống dẫn.
“Development of mobile robot for pipe welding with visual sensor”
Ogawa, Koichi Suga, Yasuo.
+ Một hệ thống robot tự hành di động được dùng để hàn các ống dẫn.
Robot này có khả năng di chuyển dọc theo ống dẫn và sử dụng cảm biến thị
giác để phát hiện những nơi cần hàn.
“Development of an autonomous mobile robot with a visual sensor
for welding of pipe-butt welding of thin wall stainless steel pipes” Ogawa,
Koichi Suga, Yasuo.
GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

9


Chương 1: Tổng Quan

+ Nhận dạng và hàn đường thẳng trong đường ống bằng robot tự hành
với cảm biến thị giác.
“Recognition and automatic tracking of weld line in welding of Tjoint of pipes by an autonomous moblie robot with vision sensor” Ogawa,
Koichi Suga, Yasuo.
+ Hệ thống robot hàn thông minh
“ Intelligent welding robot system” alzamora G, Ikeya H, Kaneko Y,
Ohshima K, Chen Q.

Các vấn đề liên quan:
Trong luận án về robot thơng minh, M. Frindentalk đã trình bày nhiều vấn đề
trong đó đề cập đến các thuật tốn điều khiển theo dõi đường hàn (Control
algorithms for seam tracking), và điều khiển robot theo thông tin hướng dẫn từ cảm
biến (Sensors guided robot control).Và đóng góp hai phát minh quan trọng.
Phát minh 1: Phương pháp loại bỏ sai lệch vị trí gay bởi tính kỳ dị của động
học ở cổ tay robot được sử dụng cho điều khiển thông minh và các ứng dụng điều
khiển robot từ xa.
Phát minh 2: Hệ thống robot thơng minh bỏ qua lập trình quỹ đạo và cơ sở
dữ liệu hình học của robot hàn.
Về lĩnh vực hàn hồ quang điện cực khơng nóng chảy Tungsten, ở luận án [M.
Ericsson, 03] tác giả đã xây dựng cơng cụ mơ phỏng và phương pháp phân tích và
tối ưu ngoại tuyến (off-line) quỹ đạo đầu hàn, quá trình nhiệt, ứng suất dư, và biến
dạng quá trình hàn hồ quang Tungsten (TIG).
Ở lĩnh vực hàn laser [Henrik J. Andersen, 01], tác giả đã phát triển một hệ
thống điều khiển hàn laser dựa trên thông tin từ cảm biến.
Về một nghiên cứu xây dựng giao diện CAD để lập trình tự động cho robot
hàn. Trong bài báo [J. Noberto Pires et al, ? ], các tác giả đã đề xuất khả năng trích
thơng tin chuyển động của robot từ tập tin dữ liệu CAD, ví dụ về quỹ đạo hàn sử
dụng các lớp có sẵn, ví dụ trích thơng tin từ file CAD theo chuẩn trao đổi dữ liệu –
DXF, và xây dựng giao diện dùng để điều chỉnh từ file CAD.
Bên cạnh các cơng trình về robot hàn, cịn một số liên quan đến nội suy hình
học, hoạch định quỹ đạo tối ưu.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Tình hình nghiên cứu trong nước nhìn chung cịn rất hạn chế, trong một bối
cảnh trình độ cơng nghệ chúng ta còn thấp nên việc nghiên cứu và chế tạo robot rất
khó khăn. Nhưng trước nhu cầu cần thiết thời gian gần đây với sự hổ trợ của nhà
nước và thành phố chúng ta đã có những thành cơng nhất định và các cơng trình
nghiên cứu cụ thể như sau:


GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

10


Chương 1: Tổng Quan

Một số tài liệu và đề tài nghiên cứu về robot phục vụ các cho công nghiệp
hàn, chẳng hạn như:
-

“Nghiên cứu, thiết kế chế tạo robot phục vụ các quá trình sản xuất trong
các điều kiện độc hại và khơng an tồn” - Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lê
Hồi Quốc, 2004.

-

“Điều khiển robot hàn khi gia cơng các quĩ đạo phức hợp” - Trần Vệ Quốc,
Phạm Thành Long.

-

“Điều khiển chuyển động robot hàn theo quĩ đạo định trước” - Nguyễn
Thiện Phúc, Tuyển tập cơng trình khoa học hội nghị cơ học toàn quốc lần
thứ VI, V.2, tr.109-113, 1997.

Các loại robot kể trên có dạng cánh tay mang đầu hàn di chuyển theo quĩ đạo
được dạy trước hoặc biết trước tọa độ đường cần hàn. Phạm vi hàn cịn giới hạn vì
cánh tay khơng vươn xa được, nên robot dạng này chỉ thích hợp trong việc hàn theo
mẫu và trong sản xuất hàng loạt.

Bên cạnh các mẫu robot tĩnh tại được sử dung trong sản xuất công nghiệp,
trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng robot di động trong sản xuất
công nghiệp ngày càng phát triển. Robot di động được trang bị các thiết bị nhận
dạng âm thanh, hình ảnh, khoảng cách,… và địi hỏi phải dùng các phương pháp
điều khiển tinh vi hơn.
- “Điều khiển robot hàn lưu động hai bánh xe” (Control of two – wheeled
mobile robot) – Tan Tien Nguyen – Tan Lam Chung – Thien Phuc Tran – Min
Sheng Shin – Sang Bong Kim.

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

11


Chương 1: Tổng Quan

Hình 1.13: Mobile robot của NCS ĐHBK TP. HCM tại Hàn Quốc chế tạo

- “Giới thiệu phần mềm tra cứu và thiết kế robot” (Introduction of robot
software for studying and designing) – Lê Hoài Quốc – Hồ Hoán Nghĩa.
- “Các bộ điều khiển theo đường biên của robot di động” (Wall- following
controllers for a mobile robot) – Tan Lam Chung – Trong Hieu Bui- Tan Tien
Nguyen – Sang Bong In.
- “Điều khiển chuyển đ?ng của robot hàn di động loại hai bánh xe” (Motion
control o two – wheeled welding mobile robot) – Buyoung Oh Kam – Van
Giap Nguyen – Sang Bong Kim.
Những vấn đề nghiên cứu trên robot di động đem lại nhiều kết quả khả quan
trong việc ứng dụng vào công nghiệp… Tuy nhiên, cho đến nay đa số các nghiên
cứu về robot hàn chỉ đứng ở kết quả nghiên cứu trong phịng thí nghiệm vì việc đưa
sản phẩm vào ứng dụng trong thực tế gặp nhiều vấn đề như thiết bị đắt tiền, duy tu,

bảo trì khó khăn…

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

12


Chương 1: Tổng Quan

1.4 Quỹ đạo cơng nghệ trong q trình hàn
Quá trình hàn tự động với robot thường là hàn điểm và hàn đường, trong đó
hàn đường chiếm hầu hết trong thực tế sản xuất mà đặc biệt là hàn với đường cong
phẳng. Hàn điểm và hàn đường cong 3D thường rất ít vì tính thơng dụng của hàn
đường cong phẳng nên trong đề tài này chủ yếu giơí thiệu về công nghệ tự động với
robot hàn đường cong phẳng.

Hình 1.14: Minh họa q trình hàn đường cơng phẳng với robot
Công nghệ hàn đường cong phẳng là liên kết không tháo được hai hay nhiều
chi tiết kim loại với nhau theo nguyên tắc tạo kết tinh vùng vật liệu dọc theo
biên dạng tiếp xúc của các chi tiết, biên dạng này còn được gọi là quỹ đạo hàn lý
thuyết. trong thực tế để mối hàn đạt chất lượng cao không chỉ đơn thuần là điều
khiển mỏ hàn chuyển động dọc theo quỹ đạo lý thuyết với vận tốc và khoảng
cách thích hợp mà ta phải điều khiển sao cho mỏ hàn chuyển động theo một quỹ
đạo kết hợp trên cơ sở quỹ đạo lý thuyết và chuyển động cục bộ có biên dạng
GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

13


Chương 1: Tổng Quan


đặc biệt (cịn gọi là các pattern) ứng với từng yêu cầu tạo nên quỹ đạo hàn hợp
lý mà ta cịn gọi là quỹ đạo cơng nghệ.
Quỹ đạo lấy mẫu
Đường mép rãnh

Quỹ đạo
cơng nghệ
zigzag

Hình 1.15: Mơ tả quỹ đạo công nghệ zigzag

Vậy vấn đề mấu chốt được đặt ra là thiết lập quỹ đạo công nghệ cho quá
trình hàn tự động với robot như thế nào?

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

14


Chương 2: Các giải pháp xây dựng quỹ đạo công nghệ

Chương 2: CÁC GIẢI PHÁP XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO CÔNG
NGHỆ ĐƯỜNG CONG PHẲNG CHO ROBOT HÀN
Vì quỹ đạo công nghệ là sự kết hợp giữa quỹ đạo lý thuyết và các pattern cơ bản
nên bản chất của vấn đề trên ta phải thiết lập quỹ đạo lý thuyết như thế nào? kết hợp
quỹ đạo lý thuyết với các pattern như thế nào?
2.1 Giải pháp xây dựng quỹ đạo lấy mẫu
Có nhiều phương pháp thiết lập quỹ đạo lý thuyết nhưng nhìn chung có hai
phương pháp phổ biến như sau.

2.1.1 Dùng sensor để nhận diện biên dạng đường hàn
Sensor được đặt ở phía trước mỏ hàn nhằm mục đích phân tích phát hiện biên
dạng tiếp xúc của các chi tiết từ cơ sở dữ liệu của sensor truyền về bộ phận xử lý
và xuất tín hiệu điều khiển để mỏ hàn đi đúng biên dạng .

Hình 2.1: Sơ đồ ngun lý khi
sử dụng sensor trên robot

GVHD: PGS-TS Lê Hoài Quốc

15