Luận văn thạc sĩ về điều khiển hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích điều khiển hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho thực

• Tác giả: Lâm Văn Tiến
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.Hcm
• Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện
• Đề tài: Điều khiển hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu robot di động và tay máy trong công nghệ hàn

Nghiên cứu về robot di động và tay máy trong công nghệ hàn đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong tự động hóa sản xuất. Sự phát triển của công nghệ này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu rủi ro cho con người trong các môi trường làm việc nguy hiểm. Việc ứng dụng robot công nghiệp trong hàn đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế tạo.

1.1. Lịch sử phát triển của robot di động và tay máy

Lịch sử phát triển của robot di động và tay máy bắt đầu từ những năm 1960, khi robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu. Từ đó, công nghệ hàn đã có những bước tiến vượt bậc, với sự ra đời của nhiều phương pháp hàn tự động và bán tự động, giúp cải thiện hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

1.2. Tầm quan trọng của công nghệ hàn trong sản xuất

Công nghệ hàn đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, từ ô tô đến hàng không vũ trụ. Việc sử dụng robot hàn giúp tăng cường độ chính xác và giảm thiểu thời gian sản xuất, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho công nhân trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

II. Những thách thức trong việc điều khiển robot di động và tay máy

Mặc dù công nghệ hàn bằng robot di động và tay máy mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc điều khiển và lập trình chúng. Các vấn đề như độ chính xác trong việc bám theo quỹ đạo và khả năng xử lý các tình huống không lường trước là những thách thức lớn.

2.1. Vấn đề về độ chính xác trong điều khiển

Độ chính xác trong việc điều khiển robot di động và tay máy là một yếu tố quyết định đến chất lượng mối hàn. Việc thiết kế bộ điều khiển để đảm bảo robot có thể bám theo quỹ đạo một cách chính xác là một thách thức lớn trong nghiên cứu.

2.2. Khả năng xử lý tình huống không lường trước

Trong quá trình hàn, robot có thể gặp phải các tình huống không lường trước như thay đổi vị trí của vật liệu hoặc sự cố kỹ thuật. Việc phát triển các thuật toán điều khiển có khả năng thích ứng với những tình huống này là rất cần thiết.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho robot di động và tay máy

Để giải quyết các thách thức trong việc điều khiển robot di động và tay máy, nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển đã được nghiên cứu và phát triển. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng thích ứng của robot.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển bám theo quỹ đạo

Bộ điều khiển bám theo quỹ đạo được thiết kế dựa trên các mô hình động học của robot di động và tay máy. Phương pháp này giúp robot có thể theo dõi chính xác quỹ đạo hàn, đảm bảo chất lượng mối hàn.

3.2. Ứng dụng lý thuyết Lyapunov trong thiết kế điều khiển

Lý thuyết Lyapunov được áp dụng để đảm bảo sự ổn định của hệ thống điều khiển. Việc sử dụng lý thuyết này giúp thiết kế bộ điều khiển có khả năng xử lý các thông số không rõ ràng và đảm bảo hiệu suất của robot hàn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot di động và tay máy trong công nghệ hàn

Việc ứng dụng robot di động và tay máy trong công nghệ hàn đã mang lại nhiều kết quả tích cực. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng robot trong hàn không chỉ tăng cường năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Kết quả nghiên cứu từ mô phỏng trên Matlab

Các mô phỏng trên phần mềm Matlab cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển trong việc bám theo quỹ đạo hàn. Kết quả cho thấy robot có thể thực hiện các nhiệm vụ hàn với độ chính xác cao và thời gian ngắn hơn so với phương pháp truyền thống.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Nhiều công ty đã áp dụng công nghệ robot hàn trong dây chuyền sản xuất của họ, giúp giảm thiểu chi phí lao động và tăng cường hiệu quả sản xuất. Các ứng dụng này đã chứng minh được giá trị của việc tự động hóa trong ngành công nghiệp.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu robot di động và tay máy trong công nghệ hàn

Nghiên cứu về robot di động và tay máy trong công nghệ hàn đang mở ra nhiều triển vọng mới cho ngành công nghiệp. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự cải tiến trong các thuật toán điều khiển và công nghệ cảm biến.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ hàn tự động

Công nghệ hàn tự động sẽ tiếp tục phát triển với sự gia tăng của các ứng dụng robot công nghiệp. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và khả năng thích ứng của robot trong các tình huống thực tế.

5.2. Tác động của công nghệ đến ngành công nghiệp

Sự phát triển của robot di động và tay máy trong công nghệ hàn sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu rủi ro cho con người trong quá trình sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu tự động hóa trong sản xuất, trong đời sống, trong y tế, trong nghiên cứu khoa học, trong tìm kiếm cứu nạn, trong trang bị của các lực lƣợng vũ trang. ngày một nâng cao. Xu hƣớng tạo ra những dây chuyền, thiết bị tự động, những robot có tính linh hoạt cao đã hình thành và không ngừng phát triển mạnh mẽ… Và vì thế nhu cầu ứng dụng robot tự động linh hoạt để phục vụ các lĩnh vực nêu trên ngày càng tăng nhanh. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình đƣợc dùng để quan sát, do thám, thu thập thông tin hay để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ, các vật phẩm.

thông qua các truyền động đƣợc lập trình trƣớc hoặc đƣợc điều khiển từ xa. Robot có thể thao tác nhƣ con ngƣời và có thể hợp tác với nhau một cách thông minh. Thƣờng robot đƣợc sử dụng để thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, các công việc dễ gây nhàm chán, nó cho các kết quả chính xác, nhanh hơn, rẻ hơn nếu đƣợc thực hiện bởi con ngƣời. Các robot đã dƣợc sử dụng để phục vụ cho các máy móc công nghiệp ngay từ khi kỹ thuật này ra đời.

Mô hình robot đầu tiên ra đời vào năm 1960, năm 1961 robot công nghiệp (Industrial Robot: IR) ra đời. Càng ngày ngành robot càng phát triển, nó đem lại những thay đổi quan trọng trong sản xuất, trong đời sống và trong an ninh quốc phòng. Giá thành của robot đang giảm đi trong khi tính năng, sự đa dạng của nó đƣợc gia tăng và công nghệ ngày càng dễ sử dụng. Đặc biệt trong lãnh vực hàn, hàn công nghiệp nặng, thƣờng dễ sinh ra những chất khí độc, nhiệt độ cao môi trƣờng khắc nghiệt và có những nơi, chỗ hàn (hốc, mũi tàu ) con ngƣời khó vào thao tác đƣợc.

Vì vậy mà robot hàn ngày càng đƣợc ứng dụng nhiều hơn và đó cũng là mục đích của ý tƣởng của luận văn này. 7 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Nội Dung Luận Văn 1. Ngày nay, các robot hàn đƣợc sử dụng rộng rãi trong các tác vụ có tính chất độc hại và nguy hiểm cho con ngƣời.

Một tay máy phẳng gồm 3 thanh với đầu hàn đƣợc gắn ở điểm cuối của tay máy với 3 bậc tự do là đủ để thực hiện quá trình hàn. Tuy nhiên nếu tay máy đƣợc gắn cố định thì sẽ bị giới hạn không gian làm việc. Hệ thống tay máy kết hợp với robot di động đƣợc tạo thành một hệ 5 bậc tự do đƣợc đƣa ra để gia tăng không gian làm việc của hệ thống. Bởi vì quá trình hàn chỉ cần 3 bậc tự do, do đó hệ thống tay máy kết hợp với robot di động là hệ thống có số bậc tự do dƣ thừa.

Để giải quyết vấn đề dƣ thừa bậc tự do của hệ thống, 2 ràng buộc về tốc độ dài và tốc độ góc của robot di động đƣợc kết hợp với tay máy di động. Điều này có nghĩa rằng, robot di động không di chuyển một cách tự do mà di chuyển theo một rằng buộc nhất định. Mục đích của 2 rằng buộc là để dịch chuyển tay máy về cấu hình ban đầu của nó để loại bỏ những điểm kỳ dị trên đƣờng hàn. Những vấn đề đã đƣợc nghiên cứu Trong những năm gần đây, việc phân tích và điều khiển các robot đƣợc nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu.

Phần lớn phát triển là thuật toán điều khiển và mô hình động hay sự kết hợp giữa mô hình động với mô hình động học. Fierro và Lewis [5] đã phát triển luật điều khiển kết hợp động học/moment của robot di dộng có bánh xe bằng cách phƣơng pháp lang truyền và ổn định tiệm cận theo lý thuyết của Lyapunov. Yamamoto và Yun [6] đã phát triển thuật toán điều khiển cho tay máy di động, vì tay máy luôn đƣợc định vị với cấu hình thuận tiện đƣợc đo bởi tay máy của nó nhằm tránh rơi vào trạng thái suy biến( điểm kỳ dị). Seraji [2] đã phát triển tọa độ phối hợp trực tuyến đơn giản để điều khiển tay máy di động và vấn đề dƣ thừa đƣợc giải quyết bằng cách giới thiệu tập hợp của ngƣời sử dụng thiết lập các công việc bổ sung trong suốt chuyển động của điểm cuối cùng của tay máy.

Ông định nghĩa hàm chi phí vô hƣớng và giảm thiểu để nó không có điểm kỳ dị suy biến. Yo, Kim và Na [3] đã phát triển thuật toán điều khiển cho tay máy dựa trên 8 phƣơng trình chuyển động của Lagrange. Jeon, Kam, Park và Kim [7] áp dụng robot di động hai bánh tự động hàn với ngọn đuốc hàn tự trƣợt theo đƣờng hàn. Họ đề xuất tìm vết nối và bám theo vết hàn sự di chuyển của robot hàn di động cho kiểu hàn lƣới.

Fukao, Nakagawa và Adachi [4] phát triển một bộ điều khiển di chuyển thích nghi cho mô hình động/động học với sự hiện diện của các thông số chƣa biết nhƣng các thuật toán trong các bài báo của họ chỉ đƣợc áp dụng cho các robot di động. Phan và những ngƣời khác [8] đã đề xuất phƣơng pháp điều khiển phân tán cho tay máy – robot 5 bậc tự do với các thông số đã biết chính xác. Các phƣơng pháp này thể hiện phƣơng pháp điều khiển thích nghi cho mô hình động học của tay máy robot đã từng nghiên cứu chƣa hoàn chỉnh. Vì lý do này, thuật toán điều khiển thích nghi cho mô hình động học của tay máy di động là mục tiêu nghiên cứu của luận văn này.

Nó đƣợc giả định rằng các thông số về kích thƣớc của tay máy di động không đƣợc biết đến và bộ điều khiển ƣớc tính nó bằng cách sử dụng các luật cập nhật ƣớc lƣợng. Chính vì lý do đó mà em đã tìm hiểu, phát triển, nghiên cứ ứng dụng phƣơng pháp xây dụng robot hàn động bám theo đƣờng cong trong mặt phẳng với tham số ƣớc lƣợng đã biết trong một robot di động có gắn tay máy hàn ba bật tự do. Mục đích của Đề tài: Mục tiêu của luận văn là xây dựng hệ tay máy và robot di động ứng dụng trong công nghệ hàn theo đƣờng trong mặt phẳng. Những mục tiêu của đề tài đƣợc đề ra nhƣ sau: − Xây dựng mô hình toán cho hệ tay máy – Robot di động.

− Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo. − Thiết kế bộ cảm biến đo các giá trị sai số. − Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu: Trên cơ sở tổng hộp tài liệu về công nghệ hàn, robot và các thuật toán điều 9 khiển cho robot để thực hiện các công việc nhƣ sau - Xây dựng mô hình động học cho hệ tay máy – robot di động.

- Thiết kế bộ điều khiển cho hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo. - Mô phỏng kiểm chứng hệ thống trên Matlab. Kết quả dự kiến đạt đƣợc: Hệ tay máy – robot di động bám theo quỹ đạo. Nội dung của Luân văn: CHƢƠNG 1: Tổng quan 1.

Nội dung luận văn 1. Tổng quan về robot hàn 1. Tổng quan về công nghệ hàn CHƢƠNG 2: Mô hình toán học 2. Lý thuyết về phần cứng robot 2.

Mô hình toán cho robot di động 2. Mô hình toán cho tay máy 2. Mô hình toán cho hệ robot di động tay máy CHƢƠNG 3: Thiết kế bộ điều khiển 3.1 Thiết kế bộ điều khiển cho robot di động 3.2 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ robot di động và tay máy CHƢƠNG 4: Kết quả mô phỏng 4.1 Các kết quả mô phỏng 4.2 Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng CHƢƠNG 5: Kết luận và hƣớng phát triển 5.2 Hƣớng phát triển 10 1.2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn 1.1 Lịch sử phát triển của ngành hàn trên thế giới - Thời kỳ đồ đồng, đồ sắt loài ngƣời đã biết hàn kim loại. - Năm 1802 nhà bác học ngƣời Nga Pêtơrốp đã tìm ra hiện tƣợng hồ quang điện.

- Năm 1882 kỹ sƣ Bênađớt đã sử dụng hồ quang điện cực than để hàn kim loại. - Năm 1886 Tômsơn đã tìm ra phƣơng pháp hàn tiếp xúc giáp mối và đƣợc áp dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp vào năm 1903. - Năm 1887 Bênađớt đã tìm ra phƣơng pháp hàn điểm. - Năm 1888 Slavianốp đã sử dụng điện cực kim loại để hàn.

- Năm 1907 kỹ sƣ Kenbe ngƣời Thụy Điển đã sử dụng cực điện có thuốc bọc (que hàn) để hàn kim loại. - Cuối những năm 1930 đến đầu những năm 1940 viện sỹ B.Patôn (Liên Xô cũ) đã tìm ra phƣơng pháp hàn dƣới thuốc bảo vệ, phƣơng pháp hàn tự động và bán tự động. - Cuối năm 1940, tìm ra phƣơng pháp hàn trong môi trƣờng khí bảo vệ đó là các khí (Hêli, Ácgông ở Mỹ và các khí carbonic ở Liên Xô).Patôn (Liên Xô cũ), tìm ra phƣơng pháp hàn điện xỉ. - Những năm tiếp theo hàng loạt các phƣơng pháp hàn mới đƣợc ra đời nhƣ: hàn bằng tia điện tử, hàn siêu âm, hàn ma sát… và hiện nay trên thế giới có 120 phƣơng pháp hàn khác nhau.

- Nói chung các phƣơng pháp hàn ngày càng đƣợc hoàn thiện và phát triển hơn. Nó đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, trong kỹ thuật quốc phòng và đặc biệt là ngành hàng không – Vũ trụ. Có thể nói: hàn là phƣơng pháp gia công kim loại tiên tiến và hiện đại. Lịch sử phát triển của ngành hàn ở Việt Nam - Từ xa xƣa, ông cha ta đã biết sử dụng hàn để làm ra các dụng cụ cần thiết phục vụ cho đời sống và cải thiện điều kiện lao động.

- Sau cách mạng tháng 8/1945 và đặc biệt sau khi hòa bình 1954 .Dƣới sự lãnh đạo của Đảng ngành hàn đƣợc quan tâm và thực sự phát triển, nhất là trong thời kỳ đổi mới. - Hiện nay với đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật hàn, công nhân hàn lành nghề ngày càng đông đảo với sự hợp tác khoa học với các nƣớc trên thế giới. - Chúng ta chắc rằng ngành hàn ở Việt Nam ngày càng phát triển và đƣợc ứng dụng ngày càng nhiều vào sản xuất.Khái niệm chung về hàn a. Thực chất và đặc điểm  Thực chất: Hàn là quá trình công nghệ nối hai hoặc nhiều phần tử (chi tiết, bộ phận ) thành một khối bền vững bằng cách dùng nguồn nhiệt để nung nóng chỗ cần nối đến trạng thái hàn.

Sau đó, kim loại lỏng tự kết tinh (ứng với trạng thái nguội, dẻo) để tạo thành mối hàn.  Đặc điểm : - Liên kết hàn đƣợc đặc trƣng bởi tính liên tục và nguyên khối.