i ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO NGHIỆM THU (Đã chỉnh sửa theo góp ý của Hội đồng nghiệm thu) NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN HÀN HỒ QUANG QUAY PHỤC VỤ DÒ ĐƯỜNG HÀN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 12/ 2012 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI (Ký tên) PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến CƠ QUAN QUẢN LÝ (Ký tên/đóng dấu xác nhận) CƠ QUAN CHỦ TRÌ (Ký tên/đóng dấu xác nhận) ii ĐỀ TÀI Hiện nay, công nghiệp hàn đòi hỏi lực lƣợng robot hàn hiện đại nhằm đạt đƣợc mối hàn có chất lƣợng và năng suất cao với giá thành hạ. Khả năng dò đƣờng hàn của robot hàn có vai trò rất quan trọng đến độ chính xác của robot hàn và cũng là yếu tố quyết định chất lƣợng của mối hàn. Có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển robot hàn thực hiện tác vụ dò theo đƣờng hàn tƣơng ứng với nhiều loại cảm biến đƣợc sử dụng nhƣ: cảm biến đầu dò tiếp xúc, cảm biến tiếp xúc điện cực, cảm biến nhiệt độ, cảm biến hồ quang, cảm biến quang học, cảm biến siêu âm … Bài toán dò đƣờng hàn bằng cảm biến hàn hồ quang quay dựa trên cơ sở hiện tƣợng biến đổi cƣờng độ dòng điện hàn khi đầu hàn vừa quay vƣa di chuyển bám theo rãnh hàn. Khi đầu hàn quay trong mối hàn rãnh chữ “V”, dựa vào giá trị cƣờng độ dòng điện hồ quang theo từng chu kỳ ta xác định đƣợc hƣớng lệch và độ lệch của đầu hàn đối với đƣờng hàn theo thời gian thực. Đây là cơ sở cho bài toán điều khiển đầu hàn bám theo rãnh hàn. Có nhiều giải thuật điều khiển có thể áp dụng để điều chỉnh đầu hàn bám theo rãnh hàn áp dụng cảm biến hàn hồ quang quay nhƣ điều khiển mờ, điều khiển neural network, hệ điều khiển thích nghi, hệ lai giữa neural network và fuzzy….Đề tài này tập trung nghiên cứu áp dụng điều khiển fuzzy - PID vào bài toán bám đƣờng hàn sử dụng cảm biến hồ quang quay. iii 1 TỔNG QUAN 0 1.1 KHÁI NIỆM 0 1.1.1 Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ 1 1.1.2 Các loại cảm biến hàn 2 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI 7 2 9 2.1 9 2.1.1 9 2.1.2 11 2.2 12 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 13 3.1 13 3.2 16 3.3 ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 18 3.3.1 Xác định độ lệch cƣờng độ dòng và hƣớng lệch của đầu hàn 18 3.3.2 Giải thuật điều khiển 21 3.3.3 Mô phỏng quá trình hàn dùng bộ điều khiển mờ 26 4 30 4.1 30 4.2 CẢM BIẾN ĐO DÒNG VÀ NGUỒN ĐIỆN HÀN 30 4.2.1 Cảm biến Hall 30 4.2.2 Máy hàn 32 iv 4.3 32 4.4 35 4.4.1 Kiểm nghiệm độ bền trục dọc 36 4.4.2 Kiểm nghiệm độ bền trục ngang 38 4.5 CƠ CẤU GÁ KẸP PHÔI HÀN 40 4.6 TỔNG THỂ MÔ HÌNH CƠ KHÍ 41 4.7 42 4.7.1 Khối mạch nguồn 48 4.7.2 Khối driver điều khiển động cơ 50 4.7.3 Khối giao tiếp với máy tính 51 4.7.4 Khối đọc tín hiệu cƣờng độ dòng điện hàn 52 4.7.5 Mạch điện thực tế sau cùng 53 5 54 5.1 MỘT SỐ NGUYÊN TẮC LẤY MẪU 54 5.1.1 Định lý lấy mẫu 54 5.2 PHƢƠNG PHÁP LỌC DÙNG CHUYỂN ĐỔI FOURIER 57 5.2.1 57 5.2.2 57 5.2.3 58 5.2.4 ỨNG DỤNG LỌC FFT VÀO XỬ LÝ TÍN HIỆU HÀN 59 6 62 6.1 CHƢƠNG TRÌNH CHÍNH 62 6.2 CÁC CHƢƠNG TRÌNH CON 62 6.3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC HÀN (PID VẬN TỐC) 66 v 7 70 7.1 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC33F256MC710 70 7.2 THỰC NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN TMS320F28335 72 7.3 SAI SỐ MỐI HÀN 76 7.3.1 PHƢƠNG PHÁP ĐO SAI SỐ MỐI HÀN 77 7.3.2 KẾT QUẢ ĐO RÃNH 1 77 7.3.3 KẾT QUẢ ĐO RÃNH 2 81 7.3.4 ĐƢỜNG HÀN THỨ BA 84 7.3.5 ĐƢỜNG HÀN THỨ TƢ 87 7.4 KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH MỐI HÀN 90 7.4.1 MẪU 1 90 7.4.2 MẪU 2 91 7.4.3 MẪU 3 92 7.4.4 MẪU 4 93 7.4.5 MẪU 5 94 8 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95 PHỤ LỤC 97 98 vi Hình 1-1 Mô hình hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bả . (1):Hƣớng hàn; (2):Đầu hàn; (3):Điện cực; (4):Khí bảo vệ; (5):Kim loại hàn nóng chảy; (6):Vết hàn; (7): Phôi hàn 1 - 4 Hình 1-3 Cảm biế 4 Hình 1-4 Cảm biến lazer quang học 5 Hình 1-5 Cảm biến siêu âm 6 Hình 1-6 Nguyên lý cảm biến hồ quang 6 Hình 2-1 Mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ quang 9 Hình 2-2 Mô hình lý thuyết hàn và dòng điện hàn.(a):Mô hình hàn; (b):Độ lệch đầu hàn; (c):Cƣờng độ dòng điện mô phỏng quá trình hàn 11 Hình 2-3 Phƣơng pháp tiếp cận, nghiên cứu đề tài 12 Hình 3-1 Mô hình toán học tƣơng đƣơng quá trình hàn MIG/MAG 13 Hình 3-2 Mô hình tính chiều dài hồ quang 14 Hình 3-3 16 Hình 3-4 - ) 17 Hình 3-5 17 Hình 3-6 Nguyên tắc xác định hƣớng lệch đầu hàn 20 Hình 3-7 Tổng quan mô hình bộ điều khiển dùng Fuzzy 22 Hình 3-8 Hàm liên thuộc của đầu vào ei 23 Hình 3-9 Hàm liên thuộc của đầu vào dei 23 vii Hình 3-10 Hàm liên thuộc của đầu ra distance 24 - . 27 Hì - 28 - 28 - (s – mm/s) 29 - (s – mm) 29 Hình 4-1Cảm biến Hall đo dòng điện hàn 31 Hình 4-2 Mô hình tổng thể cơ cấu quay đầu hàn 32 Hình 4-3 Kết cấu truyền động cơ cấu quay đầu hàn 34 Hình 4-4 Mô hình tổng quan bàn máy 2D 35 Hình 4-5 Cơ cấu kẹp phôi 41 Hình 4-6 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi thẳng 41 Hình 4-7 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi cong 42 Hình 4-8 Tổng quan mô hình điều khiển 44 Hình 4-9 Mạch điều khiển trung tâm 44 Hình 4-10 Mạch Slave điều khiển động cơ 45 Hình 4-11 Sơ đồ khối chức năng của TMS320F28335 47 Hình 4-12 Sơ đồ khối hoạt động của mạch điện dùng TMS320F28335 48 Hình 4-13 Khối ổn áp nguồn logic 49 Hình 4-14 Khối nguồn cho lõi TMS320F28335 50 Hình 4-15 Khối Driver điều khiển động cơ dùng LMD18201 50 Hình 4-16 Khối truyền thông nối tiếp với máy tính dùng PL2303HX 51 Hình 4-17 Mạch nối nguồn cho Hall sensor và bộ lọc thông thấp (Theo SLOA024B-Texas Instrument-9/2002) 52 viii Hình 4-18 Mạch điều khiển và Mạch nạp 53 Hình 4-19 Mạch driver điều khiển động cơ 53 Hình 5-1 Bộ lấy mẫu lý tƣởng 54 Hình 5-2 Phổ bị lặp do lấy mẫu 55 Hình 5-3 Bộ tiền lọc chống chồng lấn phổ - Lọc thông thấp 56 Hình 5-4 Bộ tiền lọc chống chồng lấn phổ thực tế 56 Hình 5-5 Lọc FFT 128 điểm tìm độ lệch cƣờng độ dòng điện 61 Hình 6-1 Giải thuật điều khiển cho chƣơng trình chính 62 Hình 6-2 Chƣơng trình con đọc ADC 63 Hình 6-3 Chƣơng trình tìm các cực trị 63 Hình 6-4 Chƣơng trình tìm cực đại 64 Hình 6-5 Chƣơng trình tìm cực tiểu 64 Hình 6-6 Giải thuật điều khiển chính 65 Hình 6-7 Giải thuật tính toán bộ điều khiển fuzzy 66 Hình 6-8 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 67 Hình 6-9 Lƣu đồ giải thuật bộ điều khiển PID 69 Hình 7-1 Cƣờng độ dòng điện hàn thu đƣợc từ vi điều khiển 70 Hình 7-2 Cƣờng độ dòng hàn (phóng to) 71 Hình 7-3 Cƣờng độ dòng hàn sau khi lọc FFT 71 Hình 7-4 Cƣờng độ dòng sau lọc (phóng to) 72 Hình 7-5 Toàn bộ tín hiệu cƣờng độ dòng hàn trong 25s 72 Hình 7-6 Cƣờng độ dòng hàn (phóng to ở đoạn đầu) 73 Hình 7-7 Một đoạn tín hiệu cƣờng độ dòng điện có 2 cực trị 73 Hình 7-8 Một đoạn tín hiệu cƣờng độ dòng điện có 4 cực trị 74 ix Hình 7-9 Mô hình cơ khí hệ thống hàn thực nghiệm 75 Hình 7-10 Kết quả hàn thực nghiệm 76 Hình 7-11 Mối hàn và cách đo sai lệch tâm quay đầu hàn so với tâm rãnh hàn 77 Hình 7-12 Đƣờng Cong Gốc 79 Hình 7-13 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 80 Hình 7-14 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ nhất 80 Hình 7-15 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 83 Hình 7-16 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ hai 84 Hình 7-17 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 86 Hình 7-18 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ ba 87 Hình 7-19 Đồ thị Mối hàn và Đƣờng Tham Chiếu 89 Hình 7-20 Đồ thị sai số Đƣờng hàn thứ tƣ 89 Hình 7-21 Ảnh mẫu sau khi tẩm thực 90 Hình 7-22 Ảnh tế vi tại mối hàn 90 Hình 7-23 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 91 Hình 7-24 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 91 Hình 7-25 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 92 Hình 7-26 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 92 Hình 7-27 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 93 Hình 7-28 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 93 Hình 7-29 Ảnh chụp sau khi tẩm thực 94 Hình 7-30 Ảnh chụp tế vi tại mối hàn 94 x Bả - 2 Bảng 3-1 Các luật suy diễn mờ 25 Bảng 4-1Thông số cảm biến Hall 31 Bảng 4-2 Thông số đặc tính cơ cấu quay đầu hàn 33 Bảng 4-3 Thông số thiết kế bàn máy 35 Bảng 4-4 Các thông số thiết kế cơ cấu gá kẹp phôi hàn 40 Bảng 4-5 Các thống số mô hình cơ khí hoàn chỉnh 42 [...]... khiển đầu hàn bám theo đƣờng hàn là nguyên tắc cảm biến hồ quang Nguyên lý cảm biến hàn hồ quang quay Cảm biến hàn hồ quang quay áp dụng cho các mối hàn rãnh chữ V, mối hàn góc(fillet), trong khuôn khổ đề tài này chỉ đề cập đến mối hàn rãnh chữ V, mối hàn góc có tính tƣơng tự khi quay đầu hàn nghiêng 450 so với mối hàn rãnh chữ V Cảm biến hàn hồ quang quay cũng dựa trên nguyên tắc của cảm biến hồ quang, ... TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CẢM BIẾN HÀN HỒ QUANG QUAY ỨNG DỤNG TRONG VIỆC DÒ ĐƢỜNG HÀN Tổ chức chủ trì thực hiện đề tài: Trƣờng Đại học Bách Khoa TpHCM Chủ nhiệm đề tài:Nguyễn Tấn Tiến Thời gian thực hiện: 12 tháng từ 12/2010 đến 12/2011 Tổng kinh phí thực hiện: 320 triệu đồng Kinh phí hỗ trợ từ NSNN: 320 triệu đồng NỘI DUNG ĐỀ TÀI o Nghiên cứu thiết kế cảm biến hàn hồ quang quay để ứng dụng trong việc dò. .. quang quay vào hàn tự động đƣờng hàn 3D trong công nghệ đóng tàu Nhóm nghiên cứu của Y.B Jeon, S.K Jeong và cộng sự[3], [4] nghiên cứu thiết kế cảm biến hàn hồ quang quay ứng dụng trong dò đƣờng hàn cho robot hàn di động dạng hai bánh xe Các kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ đƣợc tính khả thi cao Trong nƣớc, cho đến thời điểm hiện tại vẫn chƣa tìm thấy thông tin nào về các nghiên cứu liên quan đến việc thiết. .. đƣờng hàn đối với phƣơng pháp tự động hóa hàn hồ quang trong môi trƣờng khí bảo vệ o Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống hàn thực nghiệm ứng dụng cảm biến hàn hồ quang quay o Nghiên cứu đề xuất giải thuật xử lý tín hiệu và giải thuật điều khiển đầu hàn dò theo đƣờng hàn o Thực nghiệm kiểm chứng tính khả thi của cảm biến và giải thuật điều khiển MỤC TIÊU ĐỀ TÀI o Xác định độ lệch đầu hàn trong rãnh hàn. .. gồm hàn hồ quang khí bảo vệ và hàn hồ quang que Trong đó, chỉ có phƣơng pháp hàn hồ quang trong môi trƣờng khí bảo vệ là có khả năng đáp ứng yêu cầu tự động hóa 0 1.1.1 Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ Hàn hồ quang nóng chảy trong môi trƣờng khí bảo vệ là quá trình hàn nóng chảy trong đó nguồn nhiệt hàn đƣợc cung cấp bởi hồ quang đƣợc tạo ra giữa điện cực nóng chảy (dây hàn) và vật hàn; ... rãnh hàn cũng nhƣ dò lần theo đƣờng hàn nhờ sự dao động của bộ phận này 5 Hình 1- 5Cảm biến siêu âm 1.1.2.5 Cảm biến dựa vào hiện tượng hồ quang Đây là loại cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi cƣờng độ dòng điện liên quan mật thiết với sự thay đổi chiều cao của cột hồ quang nhƣHình 1-6 Cảm biến hồ quang giải phóng đƣợc việc phải sử dụng thiết bị xung quanh đầu hàn Nó có thể kiểm tra vị trí rãnh hàn. .. của vũng hàn tan chảy dƣới hồ quang trong hầu hết thời gian thực Hình 1-6Nguyên lý cảm biến hồ quang Mỗi loại cảm biến có các đặc điểm riêng biệt và đƣợc sử dụng với các yêu cầu khác nhau Nghiên cứu này tập trung vào cảm biến hàn hồ quang quay vì các lý do: 6 nhỏ gọn, không cần các thiết khác xung quanh đầu hàn, đơn giản, độ tin cậy cao, giá thành thấp, dễ áp dụng, không bị ảnh hƣởng bởi nhiệt hàn và... việc thiết kế chế tạo cảm biến hàn hồ quang quay Một số nghiên cứu trong nƣớc liên quan đến tự động hóa quá trình hàn ứng dụng trong sản xuất có thể đƣợc liệt kê nhƣ [8]÷[18] trong tài liêu tham khảo Các nghiên cứu trên tạm chia ra các nhóm: Tài liệu [16] và [17] mang tính khảo sát tổng quan về robot hàn Các nghiên cứu [14] và [18] tập trung vào việc điều khiển robot hàn theo quỹ đạo đƣờng hàn biết trƣớc... cấp thiết 8 2 2.1 2.1.1 Nguyên lý cảm biến hồ quang Hình 2-1Mối quan hệ giữa cƣờng độ dòng điện hàn và chiều cao cột hồ quang Nhƣ ta đã biết cƣờng độ dòng điện hàn phụ thuộc mật thiết với chiều cao cột hồ quang hay khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn. Khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn càng nhỏ thì cƣờng độ dòng điện hàn càng lớn, ngƣợc lại cƣờng độ dòng điện hàn càng nhỏ khi khoảng cách từ đầu hàn. .. sáng hồ quang 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC ĐỀ TÀI Trên thế giới, rất nhiều nghiên cứu về cảm biên hàn hồ quang quay đã đƣợc thực hiện và đăng trên các tạp chí khoa học chuyên ngành Một số nghiên cứu gần đây có thể đƣợc liệt kê nhƣ các mục [2]÷[7] trong tài liệu tham khảo Trong đề tài Tiến sỹ của mình, W.S Yoo[2] đã nghiên cứu ứng dụng các kết quả của C.H Kim[5] và S.J Na, [6] về hàn hồ quang . nhƣ: cảm biến đầu dò tiếp xúc, cảm biến tiếp xúc điện cực, cảm biến nhiệt độ, cảm biến hồ quang, cảm biến quang học, cảm biến siêu âm … Bài toán dò đƣờng hàn bằng cảm biến hàn hồ quang quay. DUNG ĐỀ TÀI o Nghiên cứu thiết kế cảm biến hàn hồ quang quay để ứng dụng trong việc dò đƣờng hàn đối với phƣơng pháp tự động hóa hàn hồ quang trong môi trƣờng khí bảo vệ. o Thiết kế chế tạo thử. và hàn hồ quang. Trong đó phƣơng pháp hàn hồ quang đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả trong công nghiệp do tính đơn giản và giá thành thấp. Hàn hồ quang bao gồm hàn hồ quang khí bảo vệ và hàn hồ quang